量子凍結：美國團隊首次實現激子超流體向超固態轉變

科學家使用了比氦輕一千倍的石墨烯，并在相對更高的溫度下實現了狀態轉變。

紐約哥倫比亞大學和德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家首次僅使用激子就將超流體轉變成了超固態。此舉阻止了已知處于持續運動中的超流體的流動，這很像將流動的水變成冰，但這是在量子層面上發生的。

物質的三種狀態——固態、液態和氣態——已廣為人知并被理解。但物理學家更感興趣的是理解存在于量子層面的許多其他物質狀態，例如超流體和超固態。

當粒子被冷卻到絕對零度以上的溫度時，就會出現超流態。在這些溫度下，沒有熱量，使得流體能夠無摩擦地流動。如果受到攪動，超流體可以形成持續永恒的小型龍卷風，也稱為量子渦旋。

從超流體到超固態

超固態是這樣一種物質狀態：它保持了超流體的零粘度特性，但粒子不再四處移動。相反，它們形成像晶格一樣的有序結構，同時仍然保持形成量子渦旋的能力。

科學家此前已經在實驗室中成功制造出超固態。然而，這是通過使用額外設備和能量場迫使粒子維持有序結構來實現的。但這一次，哥倫比亞大學和德克薩斯大學的研究人員首次在沒有任何外部儀器的情況下，實現了這些狀態之間的自然過渡。

"我們首次觀察到超流體經歷相變，變成了看似超固態的東西，"哥倫比亞大學的物理學家科里·迪恩在一份新聞稿中說道，他參與了這項工作。

他們是如何做到的？

在他們的實驗中，研究人員使用了兩片石墨烯，它比紙張還薄，由碳原子以六邊形蜂窩狀晶格排列構成。然后，他們向該系統施加了強磁場并進行冷卻，從而產生了"激子湯"。

激子是準粒子，當光粒子激發價帶中的電子并留下一個電子空穴時形成。電子和空穴共同形成一個能夠傳輸能量的中性粒子。

當激子被冷卻到比絕對零度高2.7到7.2華氏度（1.5到4攝氏度）的溫度時，它們形成了超流體。當研究人員進一步冷卻時，超流體就簡單地轉變成了超固態。

"超流性通常被視為低溫基態，"德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家賈力在新聞稿中補充道。"觀察到絕緣相融化成超流體是前所未有的。這強烈表明低溫相是一種高度不尋常的激子固體。"

目前，研究人員正在探索這種絕緣態的邊界，并構建新的測量工具，因為該材料不傳導任何電流。此外，這種材料需要強磁場才能達到超固態和超流態。因此，該團隊正在尋找其他可能用于研究且不需要磁場的材料。

在研究中使用激子更好，因為它們比氦輕得多，并且可以在相對更高的溫度下形成超固態和超流體。盡管使用超固態的優勢尚不明確，但科學家們渴望理解這種物質的量子狀態。

這項研究發現已發表在《自然》雜志上。

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