Nature：神秘超固體，尋覓五十年
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Nature 三月份同期發表兩篇背靠背文章，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）以及美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們或已找到半個世紀前理論上預測的神秘物態：超固體。
對於很多人來說，看到超固體（supersolid），第一印象就是超級堅固的固體，如同超市就是超級市場，超人就是超級牛叉的人（儘管不是地球人），而且字面意思也是“超級+堅固”。然而事實並非如此，超固體其實對應的是超流體（superfluid），指的是一種具備超流特性的固體，也就是集“超流體+固體”特性於一身的物質。簡單來說就是超固體既有晶體態中原子規則排布的特徵，
固體、液體、超流體
我們都知道地球上比較常見的基本物態有四種，固體、液體、氣體和等離子體。這四種物態涇渭分明，性質迥異。以固體和液體為例：固體中原子結合緊密，不易形變。典型的固體是晶體，其基本特徵是組分原子規則排列形成有規律的平移不變的結構。而液體中粒子通過范德華力結合，有一定的自由度，
超固體圖示，在超固體中無摩擦力流動性與晶體態同時存在。
尋找超固體
超固體的概念最早是由A. F. Andreev和I. M. Lifshitz在1969年在理論上提出，隨後G. V. Chester和A. J. Leggett與1970年也分別討論其存在的可能性。然而實驗上卻一直並無主要的進展。實驗上的困難其實並不難理解，畢竟就算是超流體也十分難實現，一方面極低溫的條件本身就十分困難，另一方面能夠實現超流的系統也十分稀少。人們一度對於固體氦寄予厚望，液氦低溫下是超流體，
2004年美國賓州州立大學的實驗小組在Nature上撰文，他們將氦冷卻到絕對零度以上不到0.1度的極低溫時發現疑似超固體的特徵。然而這個小組並不百分百確信他們發現的就是超固體，其中主要原因在於他們無法排除容器記憶體在有一個液體薄層從而最終可以影響他們的結論。一些後續實驗也似乎坐實了超固體還未被發現這一結論，人們發現氦4在某種特定條件下表現出某種“量子可塑性”，這顯然非“超固”現象所導致。
科學界主流很大程度上相信2004年的實驗並沒有真正發現超固體。在接下來的數年裡相關研究也逐漸冷卻下來。
新的曙光
然而到了2016年11月份，這次不是一個而是兩個獨立的實驗小組都在arXiv上聲稱他們完成了實驗室中實現超固體這一壯舉！
這兩個小組分別來自美國麻省理工學院和瑞士蘇黎世理工學院。儘管他們採用了不同的實驗手段，但是他們不約而同的使用了同一種系統來實現超固體：一種奇怪的被稱為“玻色愛因斯坦凝聚體”的氣體。
玻色愛因斯坦凝聚體是一種出現在超冷溫度下的奇異物態，在如此低的溫度下原子的量子特性變得極其明顯，展現出明顯的波動性。凝聚體有他們自己的獨特屬性，不過用它們製備超固體的一個巨大好處是它們是超流體，所以使用它們相當於工作已經完成了一半。
兩個實驗小組都採用了這種超冷氣體但是不太相同的實驗技巧，將氣體製備至奇特的量子相：一方面具備了如固體般的晶格結構，另一方面又保留了超流特性。
兩個獨立研究成果先公佈於預印本伺服器arXiv.org。隨後經過同行評議後正式發表於Nature。這兩個工作為我們提供了迄今為止最為堅實的證據：超固體確實存在！
瑞士研究組採用了少量的銣氣體，並將它們放置於一個真空室中，然後冷卻溫度至10-9K這個量級，使得它們形成玻色愛因斯坦凝聚體。隨後他們將凝聚體放置於帶有兩個光學共振腔的裝置中，每一個都各自帶有兩個相對的小鏡子。通過使用鐳射，粒子最終形成一個規律的晶體狀的固體結構，但是凝聚體同時還保存了其超流特性-無需額外能量就可以持續流動-這顯然在一個一般的固體中不可能實現。
圖為ETH小組的實驗設置，四個鏡子拍成相對的兩組，各自形成一個光學諧振腔。Credit: ETH Zurich
MIT實驗小組則採用一個完全不同的辦法。他們採用一組鐳射，並採用蒸發冷卻的方式將鈉原子製備成玻色愛因斯坦凝聚體。隨後利用鐳射來調控凝聚體，通過製造出原子的密度差異使得凝聚體表現出晶體排列。
圖為MIT Ketterle 實驗組用於實驗超固體的儀器。Credit: Massachusetts Institute of Technology
儘管兩個實驗小組的過程不盡相同，最終的結果卻都是一樣的：固體物質如同超流體一樣流動！同時，兩個獨立研究組得出相同結論使得人們更加相信超固體確實存在。
後記
萊斯大學物理與天文系教授Kaden R. A. Hazzard認為，這是重要的進展，但是超固體的未來研究仍然充滿挑戰。MIT小組使用鐳射的升溫速率很大，這有可能對他們的觀測產生很大的影響。在兩個實驗中，超固體究竟多大程度上處於熱力學平衡態，如果沒有那又會有怎樣的新物理。這些都值得人們去進一步探索。而且，應該更進一步探測超固體特徵序對於外界刺激的回應。它們是剛性的麼？它們是否支持零粘滯係數流動，如果是的話，需要什麼樣的條件？ETH小組的研究系統缺乏短程關聯系統變得有序時產生的低能激發，這點又會帶給超固體什麼特性呢？
對於我們大多數人說，這種潛在的新物質態有什麼特別的意義麼？目前來說，並沒有。這種新物質態只能存在於極低溫且超高真空條件下，這意味著至少目前我們還無法將其應用普遍化。不過更深入的理解這些奇異的物態能夠最終幫我們發展超導體，而電阻為零的超導體卻是實實在在非常有用的材料。
MIT實驗小組的Ketterle說：“通過冷原子，我們可以發現究竟哪些是可以真實存在的。”“既然現在我們已經在實驗上證實了理論上預言的超固體是存在的，我們希望能夠借此激發更深入的研究，而那些或許能帶給我們完全意料不到的結果。”
儘管兩個實驗組同時間發表他們的結論看上去競爭意味頗濃，但是雙方都十分歡迎彼此的印證的回饋。Ketterle強調“從兩個組同時實現超固體這件事可以看出大家對這種新物質態都充滿濃厚興趣”。
詳情請見
Jun-Ru Li et al, A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates，Nature 543, 91–94（2017)
Julian Léonard et al, Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry, Nature 543, 87–90 (2017)
Kaden R. A. Hazzard, Quantum physics: A solid more fluid than a fluid, Nature 543, 47–48 (2017)
Julia C. Keller, Researchers create new form of matter—supersolid is crystalline and superfluid at the same time, https://phys.org/news/2017-03-mattersupersolid-crystalline-superfluid.html
Felix Würsten, Researchers obtain supersolidity state experimentally, https://phys.org/news/2017-03-supersolidity-state-experimentally.html#jCp
FIONA MACDONALD, Physicists Say They've Created an 'Impossible' New Form of Matter: Supersolids, http://www.sciencealert.com/physicists-say-they-ve-created-a-brand-new-form-of-matter-supersolids
參考文獻
John Beamish，Viewpoint: Supersolidity or quantum plasticity? Physics 3, 51（2010）
Andreev, A. F. & Lifshitz, I. M. Quantum theory of defects in crystals. Sov. Phys. JETP 29, 1107−1113 (1969)
Chester, G. V. Speculations on Bose-Einstein condensation and quantum crystals. Phys. Rev. A 2, 256−258 (1970)
Leggett, A. J. Can a solid be "superfluid"? Phys. Rev. Lett.25, 1543−1546 (1970)
E. Kim & M. H. W. Chan，Probable observation of a supersolid helium phase，Nature 427, 225-227 (15 January 2004)
Kapitza, P. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point，
Nature, 141, Issue 3558, pp. 74 (1938)
人們發現氦4在某種特定條件下表現出某種“量子可塑性”，這顯然非“超固”現象所導致。科學界主流很大程度上相信2004年的實驗並沒有真正發現超固體。在接下來的數年裡相關研究也逐漸冷卻下來。
新的曙光
然而到了2016年11月份，這次不是一個而是兩個獨立的實驗小組都在arXiv上聲稱他們完成了實驗室中實現超固體這一壯舉！
這兩個小組分別來自美國麻省理工學院和瑞士蘇黎世理工學院。儘管他們採用了不同的實驗手段，但是他們不約而同的使用了同一種系統來實現超固體：一種奇怪的被稱為“玻色愛因斯坦凝聚體”的氣體。
玻色愛因斯坦凝聚體是一種出現在超冷溫度下的奇異物態，在如此低的溫度下原子的量子特性變得極其明顯，展現出明顯的波動性。凝聚體有他們自己的獨特屬性，不過用它們製備超固體的一個巨大好處是它們是超流體，所以使用它們相當於工作已經完成了一半。
兩個實驗小組都採用了這種超冷氣體但是不太相同的實驗技巧，將氣體製備至奇特的量子相：一方面具備了如固體般的晶格結構，另一方面又保留了超流特性。
兩個獨立研究成果先公佈於預印本伺服器arXiv.org。隨後經過同行評議後正式發表於Nature。這兩個工作為我們提供了迄今為止最為堅實的證據：超固體確實存在！
瑞士研究組採用了少量的銣氣體，並將它們放置於一個真空室中，然後冷卻溫度至10-9K這個量級，使得它們形成玻色愛因斯坦凝聚體。隨後他們將凝聚體放置於帶有兩個光學共振腔的裝置中，每一個都各自帶有兩個相對的小鏡子。通過使用鐳射，粒子最終形成一個規律的晶體狀的固體結構，但是凝聚體同時還保存了其超流特性-無需額外能量就可以持續流動-這顯然在一個一般的固體中不可能實現。
圖為ETH小組的實驗設置，四個鏡子拍成相對的兩組，各自形成一個光學諧振腔。Credit: ETH Zurich
MIT實驗小組則採用一個完全不同的辦法。他們採用一組鐳射，並採用蒸發冷卻的方式將鈉原子製備成玻色愛因斯坦凝聚體。隨後利用鐳射來調控凝聚體，通過製造出原子的密度差異使得凝聚體表現出晶體排列。
圖為MIT Ketterle 實驗組用於實驗超固體的儀器。Credit: Massachusetts Institute of Technology
儘管兩個實驗小組的過程不盡相同，最終的結果卻都是一樣的：固體物質如同超流體一樣流動！同時，兩個獨立研究組得出相同結論使得人們更加相信超固體確實存在。
後記
萊斯大學物理與天文系教授Kaden R. A. Hazzard認為，這是重要的進展，但是超固體的未來研究仍然充滿挑戰。MIT小組使用鐳射的升溫速率很大，這有可能對他們的觀測產生很大的影響。在兩個實驗中，超固體究竟多大程度上處於熱力學平衡態，如果沒有那又會有怎樣的新物理。這些都值得人們去進一步探索。而且，應該更進一步探測超固體特徵序對於外界刺激的回應。它們是剛性的麼？它們是否支持零粘滯係數流動，如果是的話，需要什麼樣的條件？ETH小組的研究系統缺乏短程關聯系統變得有序時產生的低能激發，這點又會帶給超固體什麼特性呢？
對於我們大多數人說，這種潛在的新物質態有什麼特別的意義麼？目前來說，並沒有。這種新物質態只能存在於極低溫且超高真空條件下，這意味著至少目前我們還無法將其應用普遍化。不過更深入的理解這些奇異的物態能夠最終幫我們發展超導體，而電阻為零的超導體卻是實實在在非常有用的材料。
MIT實驗小組的Ketterle說：“通過冷原子，我們可以發現究竟哪些是可以真實存在的。”“既然現在我們已經在實驗上證實了理論上預言的超固體是存在的，我們希望能夠借此激發更深入的研究，而那些或許能帶給我們完全意料不到的結果。”
儘管兩個實驗組同時間發表他們的結論看上去競爭意味頗濃，但是雙方都十分歡迎彼此的印證的回饋。Ketterle強調“從兩個組同時實現超固體這件事可以看出大家對這種新物質態都充滿濃厚興趣”。
詳情請見
Jun-Ru Li et al, A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates，Nature 543, 91–94（2017)
Julian Léonard et al, Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry, Nature 543, 87–90 (2017)
Kaden R. A. Hazzard, Quantum physics: A solid more fluid than a fluid, Nature 543, 47–48 (2017)
Julia C. Keller, Researchers create new form of matter—supersolid is crystalline and superfluid at the same time, https://phys.org/news/2017-03-mattersupersolid-crystalline-superfluid.html
Felix Würsten, Researchers obtain supersolidity state experimentally, https://phys.org/news/2017-03-supersolidity-state-experimentally.html#jCp
FIONA MACDONALD, Physicists Say They've Created an 'Impossible' New Form of Matter: Supersolids, http://www.sciencealert.com/physicists-say-they-ve-created-a-brand-new-form-of-matter-supersolids
參考文獻
John Beamish，Viewpoint: Supersolidity or quantum plasticity? Physics 3, 51（2010）
Andreev, A. F. & Lifshitz, I. M. Quantum theory of defects in crystals. Sov. Phys. JETP 29, 1107−1113 (1969)
Chester, G. V. Speculations on Bose-Einstein condensation and quantum crystals. Phys. Rev. A 2, 256−258 (1970)
Leggett, A. J. Can a solid be "superfluid"? Phys. Rev. Lett.25, 1543−1546 (1970)
E. Kim & M. H. W. Chan，Probable observation of a supersolid helium phase，Nature 427, 225-227 (15 January 2004)
Kapitza, P. Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point，
Nature, 141, Issue 3558, pp. 74 (1938)