物理学家声称创造出不可能的物质新形式：超固体！

我们的世界刚刚出现一个小陌生客。物理学家声称，成功地在实验室里创造出一种全新’不可能’的物质形式，超固体(supersolid)，它同时具有液体和固体的特性。

这些科学家推测，这种怪异的物质态可能存在超过50年，但没有人能够证明它实际上是可能的。现在，两个独立的物理学家团队使用不同的技术来达成同样的奇特结果，他们所声称的是超固体物质的第一批例子。

对于那些不熟悉超固体究竟有多怪异的人来说，’超固体’是一种怪异的物质态，它具有固体的结晶状结构，然而像液体一样流动。这对传统物理学来说，是相当矛盾的。

通常，物质只存在四种简单状态：固体，液体，气体和电浆。这些状态的出现，取决于诸如温度和压力等条件，而且由物质内的粒子排列所限定。

物质超固态怪异的地方在于粒子排列成刚性的固体结构，但另一方面它也可以没有黏滞性(viscosity)或’粘性(stickiness)’的流动，这是超流体(superfluid)的关键特征。

这项发现背后的一个团队首席研究员、来自麻省理工学院的Wolfgang Ketterle说：“一种物质结合了超流性和固性，是违反直觉的。”

MIT: 超流体从密闭的空间流出

超固体是回到1969年由俄罗斯物理学家首先预测的。他们假设在某些条件下，氦-4同位素可以同时显示固体和液体特性。

一项突破在2004年出现，当时宾州州立大学(Pennsylvania State University)的研究人员将氦气冷却到绝对零度(约摄氏零下273度)以上的不到10分之1度，碰巧发现这可能是一个超固态。

如同Bec Crew在去年对我们报告，鉴于他们无法排除一层薄薄的液体可能躲避在容器内，然后扭曲他们的研究结果，这个团队没有足够的信心来表示他们实际上做出一个超固体。

随后十年的几个实验，藉由显示氦-4在特定情况下有一种’量子可塑性(quantum plasticisity)’，这种可塑性不是由超固性所引起的，进一步揭穿已经做出超固体的想法。

图:Alan Stonebraker

科学界大多数的人相当判定2004年的样本不是一个真正超固体的例子，而且在过去几年，这个领域在这个问题上是非常地安静。

然而在11月，不是1个而是2个独立团队，在预印论文中宣称他们做到了，他们设法在实验室里创造出超固体。

这些研究人员来自麻省理工学院和瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)。虽然过程不同，但这2个团队都使用一种名为玻色-爱因斯坦凝态(Bose-Einstein condensate)的奇怪类型气体，来产生他们的超固体。

玻色-爱因斯坦凝态是物质第5态，出现在超低温，原子会表现得像波一样。

它们有自己独特的特性，但使用玻色-爱因斯坦凝态创造出超固体的好处是，它已经是一个超流体，因此，它在成为超固体的半途上。

这个团队采用这些超低温气体，并使用稍微不同的技术将它们哄骗成物质的量子相，具有像固体的刚性结构，但流动像超流体的能力。

瑞士研究人员之所以能够做到，是藉由采取少量的铷气体，并且放在真空室中，将它们冷却到绝对零度以上的几十亿分之一凯度，造成它们形成玻色-爱因斯坦凝态。

然后，这个团队把这个玻色-爱因斯坦凝态置于具有两个光学共振室的装置中，每个光学共振室由两个微小的相对镜子所组成。利用雷射，这些粒子最终形成一种规则晶体状的结构，一种固体的象征。

但是这个玻色-爱因斯坦凝态也保留超流体特性，能够在没有任何能量输入的情况下流动，这对正常固体来说是不可能的。

苏黎世联邦理工学院团队的一位成员Tilman Esslinger告诉科技新闻网站Phys.org：“由于一种复杂的设定，允许我们对这些原子做出两个相同的共振室，使得我们能够在实验室里产生这种特殊态。”

麻省理工学院的团队采取不同的方法。他们使用雷射和蒸发冷却方法的组合，将钠原子变成玻色-爱因斯坦凝态。

然后，藉由在这些原子中产生密度变化，他们也使用雷射来巧妙处理玻色-爱因斯坦凝态，成为结晶固体排列。

虽然过程不同，但最终结果与瑞士团队相同，固体物质像超流体一样流动。

这些结果被两个团队同时验证的事实，甚至让人更加信服这些超级固体是真的。

回到11月，来自纽约城市大学(City University of New York)、没有参与这项研究的Sarang Gopalakrishnan告诉科学新闻(Science News)：“这肯定是第一次，你可以明确地看见一个系统，然后说这是一个超流体，也是一个固体。”

有一些争议，因为这个团队使用玻色-爱因斯坦凝态，而不是氦-4，来产生物质态，它可能被视为’欺骗’。但它绝对是到目前为止，超固体存在最令人信服的证据。

那么，对于我们其他人来说，潜在的新物质态是什么？就在此刻，很少。这些材料只能在超真空条件下的极低温存在，意味着它们目前不是很有用。

但是，进一步了解物质的奇怪状态，可以导致超导体的改进。超导体是相当有用的材料，导电时没有阻力。

尽管这两个团队同时提出这项声明听起来很竞争，但是事实上是这两个研究小组都欢迎彼此验证和回应。

这两篇论文已经发表在自然期刊(Nature)。在这里以及这里。