超流体竟会结冰，还违背了物理定律

长期以来，物理学家一直想知道如果超流体被进一步冷却会发生什么。尽管经过数十年的努力，这个问题近50年来一直没有答案。

### 停止运动的超流体
在《自然》杂志发表的新研究中，由哥伦比亚大学物理学家科里·迪恩和得克萨斯大学奥斯汀分校贾利领导的团队报告了一项惊人结果。他们观察到通常持续运动的超流体突然停止了运动。迪恩说：“我们首次看到超流体经历相变，变成看似超固体的状态。”这种变化类似于水结冰，但发生在量子领域。

### 什么是超固体？
经典固体的定义是原子锁定在刚性、重复的晶体结构中。超固体是这一概念的量子版本。据预测，它既有类似固体的有序排列，又保留了通常与液体相关的特性，包括无摩擦流动。这种特性组合使超固体成为物理学提出的最不寻常的物质状态之一。
然而，到目前为止，还没有实验能清楚地显示超流体自然转变为超固体，包括氦和所有其他已知物质形式。一些实验室演示通过原子、分子和光学（AMO）物理学家创建的高度受控装置模拟了超固体。这些实验依靠激光和光学元件形成周期性陷阱，迫使粒子形成重复图案，就像果冻在冰格中成形一样。

### 借助石墨烯寻找答案
无需人工限制、自行形成的超固体一直是凝聚态物理学中最具争议的谜团之一。迪恩的团队采用了不同的方法，研究石墨烯——一种由单层碳原子组成的天然材料。该团队包括贾利（他在哥伦比亚大学做博士后时开展了这项工作）和曾毅航（现为普渡大学助理教授，曾是该团队的博士生）。
石墨烯可以承载被称为激子的粒子。当两层原子厚度的石墨烯片堆叠在一起并调整后，一层含有多余电子，另一层含有多余空穴（电子在光的作用下离开该层后留下的空位），就会出现这种准粒子。由于电子带负电荷，空穴表现为正电荷，两者可以结合形成激子。在强磁场下，这些激子可以集体表现为超流体。

### 二维材料中令人惊讶的相变
像石墨烯这样的二维材料是研究量子行为的有力工具，因为它们的特性可以被仔细调整。研究人员可以控制温度、电磁场甚至层间间距等因素。当迪恩的团队调整这些参数时，他们注意到激子密度和温度之间存在一种意外的关联模式。
当激子密集时，它们像超流体一样自由流动。随着密度降低，流动完全停止，系统变成绝缘体。升高温度又恢复了超流体行为。这一过程与长期以来关于超流性如何工作的假设相悖。
“超流性通常被认为是低温基态，”贾利说。“观察到绝缘相融化成超流体是前所未有的。这强烈表明低温相是一种非常不寻常的激子固体。”

### 它真的是超固体吗？
这种状态是否完全符合超固体的定义仍然是一个悬而未决的问题。“我们不得不进行一些推测，因为我们研究绝缘体的能力有限，”迪恩解释道——他们的专长是输运测量，而绝缘体不传输电流。“目前，我们正在探索这种绝缘状态的边界，同时构建新的工具来直接测量它。”

### 超固体的下一步
该团队现在正在研究可能存在类似量子相的其他层状材料。在双层石墨烯中，激子超流体和可能的超固体只在强磁场下出现。其他材料难以制成所需的结构，但它们可能允许激子在更高温度下且无需磁场的情况下保持稳定。
能够在二维材料中控制超流体可能具有深远影响。例如，与氦相比，激子轻数千倍，因此它们可以在高得多的温度下形成奇异的量子态。虽然超固体仍未被完全理解，但这些发现有力地证明，二维材料将在揭示这种奇特量子相如何工作方面发挥核心作用。