摘要：在日常生活中，所有物质都以气体、液体或固体的形式存在。然而，在量子力学中，两种不同的状态可能同时存在。例如，一个超冷量子系统可以同时表现出流体和固体的性质。

海德堡大学

在日常生活中，所有物质都以气体、液体或固体的形式存在。然而，在量子力学中，两种不同的状态可能同时存在。例如，一个超冷量子系统可以同时表现出流体和固体的性质。

海德堡大学合成量子系统研究小组现已采用一种新的实验方法，通过向超流体注入少量能量，证明了这一现象。他们证明，在这种驱动的量子系统中，声波以两种不同的速度传播，这表明液态和固态共存，这是超固体的标志。这项研究发表在《自然物理》杂志上。

这种令人惊讶且看似矛盾的两种物质状态同时存在的行为在室温下不会发生。但在超低温下，量子力学占据主导地位，物质可以表现出根本不同的性质。当原子被冷却到如此低的温度时，它们的波状性质占主导地位。如果原子之间的距离足够近，许多粒子就会合并成一个巨大的波，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态。这种状态是一种超流体，一种无摩擦流动的流体。

在极少数情况下，超流体还会表现出周期性的密度调制。在外力的驱动下，这些调制会导致超流体有效地“结晶”，并呈现出类似固体的性质。尽管发生了这种结晶，系统中的原子仍然表现为一个集体波，保留了其超流体的特性。在量子力学中，这种流体和固体状态的共存被称为超固体性。

例如，可以通过摇动系统来产生超流体中的周期性密度调制。就像摇动水桶时水面上形成的涟漪一样，通过“摇动”原子间的相互作用，能量被引入超流体。它变成了一个动态的、外部驱动的量子系统，不再处于平衡状态。

先前的研究表明，在这样的系统中，晶体有序性仍然可以出现。然而，正如合成量子系统小组负责人Markus Oberthaler教授所解释的那样，这些结晶模式与超固态之间的联系尚未通过实验进行研究。

超固体的一个显著特征是存在两种类型的声波：一种扰动超流体，另一种扰动晶体有序。海德堡大学的物理学家们利用先进的实验技术，成功地分别触发了这两种扰动。作为实验的一部分，他们研究了声波在驱动量子系统中的传播方式。他们发现，由此产生的缺陷以不同的速度传播，这表明该系统同时具有液体和固体的特性，使其成为超固体。

“只需给超流体添加一点点能量，就能赋予它固体的性质，这真是太神奇了，”奥伯塔勒教授说道。“激发态超流体能像固体一样支持振荡，当声波通过时，原子会围绕其平衡位置同步振动，”这位与海德堡大学基尔霍夫物理研究所团队合作的研究人员解释道。

据尼古拉斯·利布斯特（Nikolas Liebster）介绍，这项工作代表了在远离平衡态的系统中首次观测到超固体声波。“通常，人们用平衡物理学来讨论超固体，这意味着一切在时间上都是静态的，”这位物理学家兼奥伯塔勒教授研究小组成员说道。“现在，我们摇动超流体，从而向其中注入能量，我们发现，即使在平衡条件之外，超固体的概念仍然有效。”

来源：潇潇说科学