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超固體
編輯在凝聚態物理學中,超固體是具有超流體特性的空間有序材料。 就氦 4 而言,自 1960 年代以來就有人猜測它有可能創造出超固體。 從 2017 年開始,使用原子玻色-愛因斯坦凝聚態的幾項實驗為這種狀態的存在提供了明確的證據。 在某種物質中出現超固體所需的一般條件是正在進行的研究課題。
背景
編輯超固體是一種特殊的物質量子態,其中粒子形成剛性、空間有序的結構,但也以零粘度流動。 這與直覺相矛盾,即流動,特別是零粘度的超流體流動,是流體狀態獨有的特性,例如,超導電子和中子流體,具有玻色 - 愛因斯坦凝聚體的氣體,或非常規液體,如氦 - 4 或氦 3 在足夠低的溫度下。 50 多年來,人們一直不清楚是否存在超固態。
使用氦氣的實驗
編輯雖然幾項實驗都產生了負面結果,但在 80 年代,約翰·古德金德 (John Goodkind) 使用超聲波發現了固體中的xxx個異常現象。 受到他的觀察的啟發,賓夕法尼亞州立大學的 Eun-Seong Kim 和 Moses Chan 在 2004 年看到了被解釋為超固體行為的現象。 具體來說,他們觀察到扭轉振蕩器的非經典轉動慣量。 這一觀察結果無法用經典模型解釋,但與振蕩器中一小部分氦原子的超流體行為一致。
這一觀察引發了大量后續研究,以揭示晶體缺陷或氦 3 雜質所起的作用。 進一步的實驗對氦中是否存在真正的超固體提出了一些疑問。 最重要的是,事實證明,觀察到的現象在很大程度上可以用氦的彈性特性的變化來解釋。 2012 年,陳用一種旨在消除任何此類貢獻的新設備重復了他最初的實驗。 在這個實驗中,Chan 和他的合作者沒有發現超固體的證據。
使用超冷量子氣體的實驗
編輯兩個自旋軌道耦合晶格位置上的原子之間的干涉產生了特征密度調制。
在這些系統中,超固體直接從原子相互作用中產生,不需要外部光學晶格。 這也促進了對超流體流動的直接觀察,從而為超固態物質的存在提供了明確的證據。
2021 年,鏑被用于制造二維超固體量子氣體。 2022 年,同一個團隊在圓形陷阱中創造了一個超固體圓盤。
2021 年,共焦腔量子電動力學與玻色-愛因斯坦凝聚體被用于創造一種超固體,該超固體具有固體的關鍵特性——振動。 也就是說,創建了一個超固體,它擁有具有 Goldstone 模式色散的晶格聲子,顯示出 16 厘米/秒的聲速。
理論
編輯在大多數關于這種狀態的理論中,假設空位——理想晶體中通常被粒子占據的空位——會導致超固態。 這些空位是由零點能量引起的,這也導致它們像波浪一樣從一個地方移動到另一個地方。 因為空位是玻色子,如果這種空位云可以在非常低的溫度下存在,那么空位的玻色-愛因斯坦凝聚可能會在低于十分之幾開爾文的溫度下發生。 相干的空位流相當于相反方向的粒子超流(無摩擦流)。 盡管存在空位氣體,但仍保持晶體的有序結構,盡管平均每個晶格位置上的粒子少于一個。 或者,超固體也可以從超流體中產生。 在這種情況下,這是在原子玻色-愛因斯坦凝聚體的實驗中實現的。
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