超流體“結冰”了！你絕對想不到的量子現象！

在我們熟悉的日常世界里，物質的狀態變化很簡單：水加熱變成蒸汽（氣態），冷卻變成冰（固態）。但在量子世界的極低溫下，規則完全被改寫。比如液態氦冷卻到接近絕對零度時，會變成“超流體”——一種能無摩擦流動、甚至能爬上容器壁的神奇狀態。

幾十年來，物理學家一直在追問：如果把這種本不該有阻力的超流體繼續降溫，它會怎樣？是永遠保持流動，還是會“凍結”成某種新形態？如今，哥倫比亞大學和得克薩斯大學奧斯汀分校的科學家們首次在實驗中捕捉到了這個奇異的轉變過程，并發現了一種既像固體又保留超流特性的全新量子物態——他們稱之為“超固體”（supersolid）。

聽起來有點矛盾，對吧？固體意味著原子排列成固定晶格，紋絲不動；而超流體則代表粒子可以毫無阻礙地集體流動。一個東西怎么可能同時是“堅硬的”又是“無摩擦的”？這就像說一塊冰既能保持形狀，又能像水一樣從杯底漏出去。但量子力學恰恰擅長制造這種看似不可能的奇跡。關鍵在于，這里的“固體”并非由普通原子構成，而是由一種叫“激子”（exciton）的準粒子自組織形成的。

研究團隊沒有用傳統的液氦，而是選擇了雙層石墨烯——兩片僅一個原子厚的碳材料疊在一起。通過施加電壓，他們讓一層富集電子，另一層富集帶正電的“空穴”。當電子和空穴相互吸引配對，就形成了電中性的激子。再施加強磁場，這些激子會凝聚成超流體，彼此同步運動，毫無阻力。然而，當研究人員降低激子密度時，奇怪的事情發生了：超流體突然停止流動，變成了絕緣體——就像水瞬間結成了冰。更反常的是，當他們升高溫度，流動性反而恢復了！這完全顛覆了常識——通常加熱會讓固體融化，而這里卻是“加熱讓固體變回超流”。

這種“冷凝成固、熱熔為流”的逆向相變，強烈暗示著低密度下的激子自發排列成了有序的晶格結構，即“激子固體”。但由于激子本身源自量子配對，即便在固態下，它們仍可能保留某種非局域的量子關聯，從而具備超流潛力。這就是“超固體”的核心特征：內部具有晶體般的周期性秩序，同時允許部分粒子無耗散地穿行其中。

不過，目前團隊還不能100%確認它就是理論預言的超固體。因為一旦變成絕緣體，常規的電輸運測量就失效了——電流無法通過，也就無法直接探測是否還有“無摩擦流動”。論文通訊作者科里·迪恩教授坦言：“我們的工具在絕緣體面前‘失明’了。”但他們正在開發新的光學和磁學探針，希望能直接觀測這種神秘狀態中的量子流動。

這項突破的意義遠不止于驗證一個50年前的理論猜想。它證明了二維材料（如石墨烯）是探索極端量子現象的理想平臺。相比笨重的液氦系統，激子質量極輕，理論上可在更高溫度下實現超流或超固態，甚至未來有望在無需強磁場的條件下穩定存在。這意味著，這類奇特物態或許不再局限于稀有實驗室，而可能走向實際應用——比如用于超低功耗的量子信息器件，或模擬復雜多體物理的新一代“量子模擬器”。

從液氦的爬墻奇跡，到石墨烯中的量子凍結，人類對物質本質的理解正不斷被刷新。而這一次，科學家不僅看到了超流體“結冰”，更窺見了一個模糊卻激動人心的輪廓：在那里，秩序與流動共存，矛盾統一于量子法則之下。正如一位評論者所說：“這不是終點，而是一扇通往更奇異量子世界的大門剛剛被推開。”

參考資料：“Observation of a superfluid-to-insulator transition of bilayer excitons” by Yihang Zeng, Dihao Sun, Naiyuan J. Zhang, Ron Q. Nguyen, Qianhui Shi, A. Okounkova, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Hone, C. R. Dean and J. I. A. Li, 28 January 2026, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-025-09986-w