《科学》重磅：物理学最奇异物态迎来“决定性证据”

在现代物理学的版图中，很少有现象能像超固态这样违背直觉且令人着迷。几十年来，“超固体”——一种既能像无摩擦液体一样流动，又能保持晶体坚硬结构的物质——一直仅存在于理论推测中。然而，由 C. S. Chisholm 以及 ICFO（光子科学研究所）著名的 Leticia Tarruell 团队发表在《Science》上的里程碑式论文《Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate》，为这种奇异物态的存在提供了决定性的实验“铁证”。

通过利用玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）中自旋-轨道耦合（SOC）的独特属性，该研究团队成功映射了超固态的激发谱，通过物质内部的“振动”证明了其存在。

1. 超固态的悖论

要理解这篇论文的意义，首先要理解它所解决的悖论。在经典物理学中，固体和超流体是互斥的：

• 超流性（Superfluidity）：源于规范对称性的破缺，允许原子占据单一量子态并实现无粘滞流动。
• 结晶性（Crystallinity）：源于连续平移对称性的破缺，原子在空间中排列成周期性晶格。

超固体则同时破缺了这两种对称性。虽然早期在固体氦-4中寻找超固态的尝试充满了争议，但超冷原子气体提供了一个更干净、可控的实验室。通过操纵原子间的相互作用，科学家可以迫使原子“聚集成簇”形成晶格，同时保持足够的相干性以维持流动——这就是所谓的条纹相（Stripe Phase）。

2. 实验平台：自旋-轨道耦合 BEC

Tarruell 团队使用了冷却至接近绝对零度的钾-40原子气。这里的“秘密配方”是自旋-轨道耦合（SOC）。

研究人员利用拉曼激光将原子的内部自旋与其外部动量锁定。这种设置创造了一种能量景观，使原子倾向于同时占据两个不同的动量态。当这些状态发生干涉时，它们会形成一种密度调制——即一系列条纹。这些条纹构成了超固态的“固体”部分，而底层的 BEC 则保持其“超流”特性。

3. 核心贡献：激发谱中的“指纹”

这篇论文的天才之处在于，它从单纯地“观察”条纹转变为“聆听”条纹。仅仅拍摄一张条纹状密度的照片并不足以证明超固性，因为它可能只是一个没有超流性的密度波。

该团队使用布拉格能谱（Bragg Spectroscopy）探测了系统的初等激发。根据戈德斯通定理（Goldstone's Theorem），每一种连续对称性的自发破缺都会导致一种特定的“振动模式”。因此，一个超固体必须表现出两种截然不同的戈德斯通模式：

• 超流模式（相位模式）：与规范对称性破缺相关，代表原子的集体流动。
• 晶格模式（条纹模式）：与平移对称性破缺相关，代表条纹结构本身的振动或压缩。

关键观测：双分支结构

研究人员在激发谱中观察到了两个独立的分支。在普通的 BEC 中，只有一个分支（Bogoliubov 谱）。在 SOC 诱导的条纹相中，第二个低能分支的出现提供了无可辩驳的证据，证明系统确实同时破缺了两种对称性。他们观察到这些模式如何演化和相互作用，从而绘制出了超固态内部动态的完整地图。

4. 为什么这项研究至关重要？

如果说之前的研究只是“看到了”超固态的影子，那么这项研究则是通过测量它的“脉搏”彻底坐实了它的存在。其核心价值体现在：

• 捕捉到了对称性的“双重共鸣”：首次在实验中确证了系统同时破缺了规范对称性与平移对称性。这种“双重奏”式的激发模式，是判定超固态最硬核的物理判据。
• 验证了 SOC 方案的优越性：证明了通过自旋-轨道耦合（SOC）诱导的条纹相不仅在理论上可行，在实验中也具有极佳的稳定性，为后续研究提供了极其可靠的“量子底盘”。
• 确立了物相鉴定的“金标准”： 成功演示了如何利用布拉格能谱精准识别复杂的量子相。这套方法论未来可以像“CT扫描”一样，直接应用到其他奇特量子物态的探测中。

5. 结论：量子材料的新时代

Chisholm、Tarruell 及其同事的工作不仅仅是在物理教科书上打了个勾。它建立了一个强大的平台，用于研究不同序（液体 vs 固体）是如何竞争并共存的。

这项研究对于我们理解高温超导体以及中子星（据信其中也存在类似的混合量子相）具有深远意义。通过“探测”这些激发，研究团队将超固态从一个理论上的“幽灵”变成了实验室中触手可及、可测量的现实。