量子冻结：美国团队首次实现激子超流体向超固态转变

科学家使用了比氦轻一千倍的石墨烯，并在相对更高的温度下实现了状态转变。

纽约哥伦比亚大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家首次仅使用激子就将超流体转变成了超固态。此举阻止了已知处于持续运动中的超流体的流动，这很像将流动的水变成冰，但这是在量子层面上发生的。

物质的三种状态——固态、液态和气态——已广为人知并被理解。但物理学家更感兴趣的是理解存在于量子层面的许多其他物质状态，例如超流体和超固态。

当粒子被冷却到绝对零度以上的温度时，就会出现超流态。在这些温度下，没有热量，使得流体能够无摩擦地流动。如果受到搅动，超流体可以形成持续永恒的小型龙卷风，也称为量子涡旋。

从超流体到超固态

超固态是这样一种物质状态：它保持了超流体的零粘度特性，但粒子不再四处移动。相反，它们形成像晶格一样的有序结构，同时仍然保持形成量子涡旋的能力。

科学家此前已经在实验室中成功制造出超固态。然而，这是通过使用额外设备和能量场迫使粒子维持有序结构来实现的。但这一次，哥伦比亚大学和德克萨斯大学的研究人员首次在没有任何外部仪器的情况下，实现了这些状态之间的自然过渡。

"我们首次观察到超流体经历相变，变成了看似超固态的东西，"哥伦比亚大学的物理学家科里·迪恩在一份新闻稿中说道，他参与了这项工作。

他们是如何做到的？

在他们的实验中，研究人员使用了两片石墨烯，它比纸张还薄，由碳原子以六边形蜂窝状晶格排列构成。然后，他们向该系统施加了强磁场并进行冷却，从而产生了"激子汤"。

激子是准粒子，当光粒子激发价带中的电子并留下一个电子空穴时形成。电子和空穴共同形成一个能够传输能量的中性粒子。

当激子被冷却到比绝对零度高2.7到7.2华氏度（1.5到4摄氏度）的温度时，它们形成了超流体。当研究人员进一步冷却时，超流体就简单地转变成了超固态。

"超流性通常被视为低温基态，"德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家贾力在新闻稿中补充道。"观察到绝缘相融化成超流体是前所未有的。这强烈表明低温相是一种高度不寻常的激子固体。"

目前，研究人员正在探索这种绝缘态的边界，并构建新的测量工具，因为该材料不传导任何电流。此外，这种材料需要强磁场才能达到超固态和超流态。因此，该团队正在寻找其他可能用于研究且不需要磁场的材料。

在研究中使用激子更好，因为它们比氦轻得多，并且可以在相对更高的温度下形成超固态和超流体。尽管使用超固态的优势尚不明确，但科学家们渴望理解这种物质的量子状态。

这项研究发现已发表在《自然》杂志上。

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