超固体是一种既像固体一样有固定形状和结构，又像液体一样可以无摩擦流动的奇特物质。它具有超流体和固体的双重性质，在极低温度下，粒子之间的相互作用使得超固体既能保持晶格的有序性，又能让部分粒子自由流动。
超固体的概念最早由物理学家尤金・格罗斯在 20 世纪 50 年代提出，但直到 2004 年，才有实验上的证据支持它的存在。当时，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家发现了固体氦中的超流动现象。他们观察到，当固体氦被冷却到接近绝对零度时，它的转动惯性会突然下降，这意味着它的一部分原子不再与容器同步转动，而是形成了一个摩擦力为零的超流体。
超固体的制造需要使用一种叫做 “光镊” 的技术，它可以利用激光束来捕捉和操纵微小的物体，比如原子、分子、细胞等。研究人员通过将超冷的原子悬浮在光镊中，然后使用激光冷却的技术将原子冷却到接近零开尔文，再通过蒸发冷却等方法，使原子转变成玻色 - 爱因斯坦凝聚体，从而制造出超固体。
超固体的原子可以在不损失能量的情况下移动，这为一些真正奇怪的量子效应打开了大门。海森堡的测不准原理说作为量子行为的一个关键规则，其中说到，不能绝对准确地知道粒子的位置和动量。然而，既然玻色 - 爱因斯坦凝聚态原子不再运动，它们的所有动量都是已知的。这导致原子的位置变得如此不确定，以至于它们可能占据的位置的面积比原子之间的空间更大。因此，模糊玻色 - 爱因斯坦凝聚球中的重叠原子就好像它们只是一个巨粒子，而不是离散的原子。这给一些玻色 - 爱因斯坦凝聚体赋予了超流体的性质：允许它们的粒子在没有任何摩擦的情况下流动。
为了验证超固体的存在，物理学家们进行了更多的实验，但结果并不一致。一些实验表明，固体氦中的超流动现象与其内部的缺陷和杂质有关，而不是真正的超固体性质。另一些实验则表明，超流动现象与固体氦的晶格结构有关，而且不仅仅发生在氦中，还可能发生在其他物质中。这些实验都没有给出一个确定的答案，超固体的本质仍然是一个谜。
超固体的发现，不仅是物理学的一个重大突破，也是人类对自然界的一个新的认识。超固体展示了物质的多样性和奇妙性，它可能揭示了一些我们还不了解的物理规律和现象。超固体也可能有一些实际的应用，比如在超导、量子计算、精密测量等领域。当然，超固体的研究还面临着许多挑战和困难，比如如何制造更高维度的超固体，如何观察和控制超固体中的涡旋和其他缺陷，如何理解超固体的微观机制和宏观行为等。这些问题需要物理学家们继续探索和解决。
二、超固体的发展历程
概念提出
1957 年，物理学家尤金・格罗斯提出超固体概念。这个大胆的设想为后来的超固体研究奠定了理论基础，开启了科学家们对这种奇特物质状态的探索之旅。
早期实验探索
2004 年，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家发现固体氦中的超流动现象，但这一发现引发了争论和质疑。他们观察到当固体氦被冷却到接近绝对零度时，其转动惯性会突然下降，一部分原子不再与容器同步转动，形成了超流体。然而，对于这个现象是否真正代表超固体的存在，科学界存在不同的看法。
到了 2012 年，该实验结果被用另一种理论解释，即固体氦中存在 “玻色玻璃” 的无序量子相。这一解释使得超固体在固体氦中的存在变得更加扑朔迷离。
超冷原子气体中的突破
2017 年，两个独立研究小组分别使用镝和铒的超冷原子气体成功创造出超固体状态。这一突破为超固体的研究带来了新的希望。他们利用玻色 - 爱因斯坦凝聚的过程，在原子气体中诱导出周期性的密度调制，形成了类似于固体的结构，同时保留了超流性的特性。
2019 年，多个研究组在偶极原子 BEC 中发现不同液滴状态，其中有研究者认为某种状态是超固态。这进一步丰富了超固体研究的方向。
2021 年，奥地利因斯布鲁克大学研究团队利用极冷的铒原子气体创造了首个长寿命的二维超固体，并在旋转的二维超固体中首次观察到量子涡旋。这一成果标志着调制量子物质研究迈出了一大步，为理解超固体中涡旋动态与非调制量子流体之间的差异提供了新的视角。
三、超固体的制造方法 
超固体的制造需要使用 “光镊” 技术，将超冷的镝原子悬浮在光镊中，然后使用激光冷却技术将原子冷却到接近零开尔文，再通过调整原子之间的相互作用和光镊束的强度，创造出一维或二维超固体。
具体来说，为了制造超固体，研究人员首先在光镊内悬浮一团镝 - 164 原子，然后使用激光冷却技术将原子冷却到接近零开尔文。用激光照射气体通常会使其升温，但如果激光束中的光子与运动的气体粒子方向相反，它们实际上可以使气体粒子减速并冷却。在用激光将镝原子冷却到尽可能低的温度后，研究人员放松光镊的 “控制力”，为最有活力的原子创造足够的空间让它们逃脱。由于 “温暖” 的粒子比冷却的粒子摇晃得更快，这种技术称为蒸发冷却，使研究人员只剩下超冷原子。这些原子已经转变成一种新的物质状态 —— 玻色 - 爱因斯坦凝聚体，一种原子被超冷到接近绝对零度的集合。
当一个气体被冷却到接近绝对零度时，它的所有原子都失去了能量，进入了相同的能量状态。由于我们只能通过观察它们的能量水平来区分气体云中的其他相同的原子，这种平衡产生了深远的影响：从量子力学的角度来看，组成温暖气体的一旦分散的振动、摇晃、碰撞的原子就变得完全相同。这些小滴既保持了晶格的有序性，又能够自由流动，表现出超固体的特征。
研究人员使用镝 - 164，因为它是所有已发现元素中最有磁性的。这意味着当镝 - 164 原子被超冷时，除了变成超流体外，它们还聚集成小滴，像小磁铁一样互相粘在一起。通过仔细调节原子之间的远程磁相互作用和近程接触相互作用之间的平衡，该团队能够制造出一个长的、一维的小滴管，其中也包含了自由流动的原子 —— 一个一维超固体。
为了从一维跃升到二维超固体，该团队使用了一个更大的陷阱，并在两个方向上降低了他们的光镊束的强度。这样，再加上在陷阱中保持足够的原子密度，最终使他们能够创建一个锯齿状的小滴结构，类似于两个错开的一维管并排放置，这就形成了一个二维超固体。
四、超固体的研究意义和应用前景
超固体的发现是物理学的重大突破，它展示了物质的多样性和奇妙性，可能揭示一些未知的物理规律和现象。超固体为理解量子相变和破缺对称性提供了新视角。量子相变是物质在极低温度下从一种量子态转变为另一种量子态的过程，超固体同时打破了平移对称性和相位对称性，为研究量子相变提供了独特的模型。此外，超固体的研究有助于深入理解量子力学中的波粒二象性和量子涨落等概念，推动物理学基础理论的发展。
2. 应用前景超固体在超导、量子计算、精密测量等领域可能有实际应用。在超导领域，超固体的零黏性和超流性可能有助于提高超导材料的性能，降低能量损耗。量子计算机可能会从具有固态稳定性和超流体般相干特性的超固体材料中获益，从而提高量子比特的稳定性和相干时间。在精密测量方面，超固体的特殊性质可以用于制造更加精确的传感器。
超固体还推动了量子湍流的研究，对理解天体物理学中的复杂流体动力学有广泛应用。由于超固体兼具固体和流体特性，能够让科学家更好地探索在既有秩序又无摩擦流动的系统中湍流如何表现。这项研究可能对理解中子星等天体在极端条件下的流体动力学行为具有重要意义。虽然超固体的研究目前主要局限于实验条件，但随着研究的不断深入，未来超固体的应用可能将极大地影响我们对物质世界的理解和技术进步。
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