为了研究匪夷所思的奇异物质，科学家将“一维”升到了“二维”

它既是固体，又会无阻力地流动。

超固体想像图。它同时具有固体和超流体的特性。IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch

近日，奥地利物理学家首次利用激光和超冷气体，把一种只有一个维度的奇异物质实验对象升到了二维，在破解奇异物质态神秘特性的过程中取得了一大进展。

超固体同时具有固体和无阻力流体的特点，其内部原子排列呈均匀且重复的晶体结构状，但是它同时又能够以不损失动能的方式流动。这种物质形态极为诡异，表面上违反许多已知的物理学规律，但物理学家长期以来一直都在理论上坚定地预言它们的存在。天体物理学家相信，中子星内部可能就存在这样的超固体。

把一维的超固体扩展到二维，可以帮助科学家认识超固体在二维的状态下会有什么样的行为方式。理论上某些奇异的超固体特征，只有在二维状态下才会出现。

为了制造出超固体，研究人员把一团镝164原子云悬浮在一个光钳内，然后用激光冷却技术，将这些原子冷却到接近绝对零度。激光射中气体通常会让气体升温，但是假如这些激光光子能够从相反的方向击中气体粒子，粒子的运动就会慢下来。

粒子的运动幅度越大温度就越高，因此通过这种方式，研究人员可以获得超冷原子。在将这些镝原子冷却到尽可能低的温度后，研究人员“松开”光钳，把那些仍然带有较多能量的原子放走。这些接近绝对零度的原子在此过程中会被转化为奇异的“玻色-爱因斯坦凝聚态”。

一旦接近绝对零度，气体中的所有原子都会失去能量，进而保持在一种相同的能量状态上。如果我们要识别气体云中的部分原子，我们只能根据它们的能量级别来加以区分。因此假如所有原子的能量状态保持一致，从量子力学的角度来看，就相当于这团气体变成了一个整体。

而物质一旦处于这样一种状态，一扇通往奇异量子效应的门就会被打开。量子力学中的海森堡测不准定理认为，我们无法同时获得一个粒子的位置和运动参数的确定值。但是处于“玻色-爱因斯坦凝聚态”的原子因为不再运动，它们的所有运动参数都已知，这些原子的位置就会变得无法确定，导致它们占据的面积大于彼此之间的空间。

处于这种状态的原子将不再处于“自由散漫”的状态，它们的行为会变得像一个巨大的单一粒子。某些处于“玻色-爱因斯坦凝聚态”的物质因此会拥有超流体特性——它们会以不产生阻力（摩擦力）的方式进行流动。在某种程度上，可以说它们一旦开始流动，就再也停不下来了。

研究人员将镝164作为研究对象，是因为镝和钬的磁性是已知元素中最强的。镝164原子在超冷状态下变成超流体后，会凝聚成液滴，并像磁棒一样吸引在一起。通过对长程的磁互作用和短程的原子互作用间的平衡进行微调，研究人员可以在一个维度上制造出超固体——一条超流体的液滴管道，其中包含有能够自由流动的原子。通过调整光钳，以及对原子的密度进行维持，研究人员最终制造出了一种波浪形的平面结构，亦即存在于两个维度上的超固体。

二维的超固体能够帮助物理学家研究其在二维空间中的所有特性，同时也让我们与三维超固体的距离更近了一步。随着研究的不断拓展，谁知道我们未来又会在这种奇异的物质身上发现什么不可思议的现象呢？

参考Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gashttps://www.nature.com/articles/s41586-021-03725-7