固非固液非液，超固體是個啥？

李登仟

2017年3月初，美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)文宣稱，他們利用激光冷卻的方法，將一定數(shù)量的兩組鈉原子冷卻到絕對零度（-273.15℃）附近，然后將兩組量子態(tài)進(jìn)行態(tài)的疊加，得到了一種新的物質(zhì)形態(tài)——超固體，

也許你聽說過氣體、液體、固體、等離子體，以往我們也介紹過超導(dǎo)體，但是超固體又是什么呢？是超級堅(jiān)硬的固體，還是超級導(dǎo)電體？別急，接著往下看。

重新認(rèn)識固體

超固體，這種新的物質(zhì)形態(tài)，其實(shí)同時具有固體和超流體的性質(zhì)。

固體的概念聽起來十分熟悉，然而，今天我們可能要再重新去認(rèn)識一下固體。

固體材料大致可分為晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體?？茖W(xué)家們研究最多的便是理想晶體，因?yàn)樗哂幸欢ǖ木Ц窠Y(jié)構(gòu)，可通過幾何建模和量子力學(xué)來研究晶體的物理特性，然后再將理想模型加以推廣至一般的模型，就可以近似地知道非理想晶體的一些特性了。

晶體不僅具有一定的熔點(diǎn)，還呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)。如果晶體是由單一原子構(gòu)成的，那么晶體就可以看做是幾個原子構(gòu)成的“基元”（最小單元），每個原子處于特定位置（稱為點(diǎn)陣），加上基元周期性的排列（晶格），最終形成了整個宏觀物體。想要構(gòu)成宏觀尺度的晶體，需要數(shù)以億計(jì)的原子堆積而成。

晶體中較為出名的就是金剛石（鉆石）了。金剛石的結(jié)構(gòu)比較特殊，它的內(nèi)部原子可與周圍相鄰的原子構(gòu)成正四面體（也稱正三棱錐），具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。當(dāng)然，你可別把金剛石想得很神奇。它也是由碳原子構(gòu)成的，這和我們平常所用的鉛筆芯（石墨）組成成分是一樣的，只不過其原子的排列方式不同而已。只需適當(dāng)?shù)乩酶邷馗邏?，就可以分分鐘將我們所用的鉛筆芯變成“高大上”的鉆戒了。

“叛逆”的超流體

那么，超流體又是什么呢？

生活中最常見的液體莫過于水了，將水沿著杯壁倒入時，生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們：水一定會沿著杯壁往下流。那么問題來了，有沒有一種“反重力”的液體，將它裝入杯中的時候，能夠自動沿著杯壁往上流呢？有的，這樣的流體就被稱為超流體（這其實(shí)是量子效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果）。最常見的超流體就是液氦，液氦的溫度在-270℃左右。而宏觀物體，在處于絕對零度附近時，就會表現(xiàn)出奇特的量子效應(yīng)出來。

為什么超流體具有如此詭異的特性呢？原來，不管是超導(dǎo)體還是超流體，它們均是低溫下的一種量子效應(yīng)而已——波色-愛因斯坦凝聚（該理論由波色提出，愛因斯坦將其發(fā)展，后人稱之為波色-愛因斯坦；疑聚）。一旦超流體進(jìn)入超流狀態(tài)時，它將毫無黏滯性，稍加攪動，它就可以在容器中永久地運(yùn)動下去。

超流體是一種量子統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在溫度逐漸靠近絕對零度附近時，原子等微觀粒子的能量逐漸降低到基態(tài)（原子的最低能量態(tài)）附近，然后它們的能量開始“凝聚”。這就好像天氣變冷了，幼小的小雞們“凝聚”在母雞媽媽周圍，抱團(tuán)取暖一樣。超流效應(yīng)在量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)方面起著不可估量的作用。

新物質(zhì)形態(tài)——超固體閃亮登場

激光冷卻原子

前面已經(jīng)說了，超固體具有固體和超流體的雙重特性，那么問題來了，科學(xué)家們是通過什么手段合成了超固體呢？

首先，美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家們利用激光冷卻的方法，將兩組具有一定數(shù)量的鈉原子冷卻到絕對零度附近（與此同時，愛因斯坦的母校——瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院利用銣原子得到了超固體）。為什么要用激光冷卻呢？因?yàn)楫?dāng)鈉原子與光子相互碰撞之后，原子可以吸收掉光子，讓自己減速，從而達(dá)到冷卻的目的。打個比方來說，當(dāng)兩個一大一小彈珠相向運(yùn)動碰撞時，其中小的彈珠（就好像光子）就會因碰撞而減速甚至停下來（被原子吃掉了），而大的彈珠（原子）也會減速下來。

一旦大量的鈉原子冷卻到絕對零度附近時，鈉原子便會產(chǎn)生波色一愛因斯坦凝聚效應(yīng)，出現(xiàn)超流現(xiàn)象。先前的理論研究表明，想要形成超固體，超流體與固體的量子態(tài)要進(jìn)行“雜交”。因而，難點(diǎn)在于如何產(chǎn)生具有固體特征的量子態(tài)。

如果你不知道什么叫做量子疊加的話，那么你應(yīng)該聽說過大名鼎鼎的“薛定諤的貓”。薛定諤的貓?jiān)醋杂谘Χㄖ@在一篇論文中的一個思想（假想）實(shí)驗(yàn)：當(dāng)一只貓?zhí)幱谝粋€封閉的箱子中時，在箱子中放置具有衰變特性的放射性物質(zhì)，而放射性物質(zhì)衰變具有不確定性，一旦放射性物質(zhì)衰變觸發(fā)了箱子中的毒氣開關(guān)，就可以將貓殺死。但是在我們沒有打開箱子之前，我們無法判定貓到底是活的還是死的（因?yàn)槲覀儾⒉恢婪派湫晕镔|(zhì)是否衰變了），這時我們稱貓?zhí)幱诩人烙只畹臓顟B(tài)——量子疊加態(tài)。這個思想實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于，薛定諤將微觀量子現(xiàn)象放大為貓生死的宏觀狀態(tài)。

了解了“薛定諤的貓”的思想實(shí)驗(yàn)之后，我們大致知道什么叫疊加態(tài)了?？茖W(xué)家就是利用一組進(jìn)入超流態(tài)的鈉原子和一組粒子的自旋（有點(diǎn)類似地球的自轉(zhuǎn)），以及自身的運(yùn)動形成相互作用，經(jīng)過物理調(diào)控過后得到了具有晶格特征的鈉原子，進(jìn)行量子態(tài)疊加，從而形成了超固體。

當(dāng)然，每當(dāng)一種新物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)時，科學(xué)家頭腦的第一個想法便是它們可以用來干什么，能對實(shí)際生活有著怎樣的利用價(jià)值。由于超固體這種新物態(tài)才合成，要想更好地運(yùn)用到實(shí)際生活中，即便是它的發(fā)現(xiàn)者——麻省理工學(xué)院和瑞士蘇黎世理工學(xué)院的科學(xué)家也是一頭霧水。盡管如此，科學(xué)家們?nèi)栽诜e極地研究超固體和超導(dǎo)體之間是否存在一定的聯(lián)系，畢竟超固體具有固體和超流體的“優(yōu)良血統(tǒng)”，這對于發(fā)展新的超導(dǎo)體材料有著重要的研究價(jià)值。

（責(zé)任編輯：司明婧 責(zé)任校對：曹偉）