摘要：在当代量子物理的研究领域中，超固体这一概念极具魅力。超固体是一种奇特的物质状态，它同时具备两种看似矛盾的性质：晶体结构的周期性密度调制，以及超流体的无摩擦流动。超固体一度仅停留在理论设想层面，但随着超冷原子气体实验的进展，它逐渐成为现实。发表于 Nature
在当代量子物理的研究领域中，超固体这一概念极具魅力。超固体是一种奇特的物质状态，它同时具备两种看似矛盾的性质：晶体结构的周期性密度调制，以及超流体的无摩擦流动。超固体一度仅停留在理论设想层面，但随着超冷原子气体实验的进展，它逐渐成为现实。发表于 Nature Physics的研究《驱动量子气体中的类超固体声模》（Supersolid-like sound modes in a driven quantum gas）进一步拓展了这一前沿，展示了如何在一个非平衡驱动量子体系中产生类超固体的激发。
超固体的探索始于20世纪，源于这样一种设想：量子多体系统可能在同一状态下同时保持晶体相和超流性。在平衡系统中，如具有偶极相互作用或自旋–轨道耦合的玻色–爱因斯坦凝聚体（BEC），研究者已经通过引入密度调制并保持相位相干，实现了超固体态。
这些平衡超固体会展现出典型的Goldstone模式，即由于对称性破缺而产生的集体激发：
相位模式：与超流体 U(1) 规范对称性破缺相关，表现为常见的声波；声子模式：与平移对称性破缺相关，表现为密度调制晶格的振动。然而，对于非平衡驱动量子体系中是否能够出现类似的超固体特性，了解却相对有限。本研究正是针对这一问题展开。
实验使用了约3.5万个钾原子的玻色–爱因斯坦凝聚体，限制在准二维几何中。研究的核心创新在于通过驱动实现了类超固体有序态：
1.相互作用的周期性驱动：研究者利用 Feshbach 共振技术周期性地调制原子间的散射长度，使相互作用强度随时间振荡。这样一种外部驱动会自发形成密度调制结构，类似于凝聚体中的晶格。
2.光学控制：通过数字微镜器件（DMD） 生成可控的光学势场，使实验者能够有选择性地激发不同的集体模式，并精确探测其传播动力学。
3.激发探测方法
波包注入：在凝聚体中局域扰动并追踪其演化；集体模式制备：预先构造特定的密度调制结构，并观测其动态响应。通过这两种方法，研究者能够直接观测到驱动量子气体中的类声学集体激发。
实验揭示了一个清晰的 双模结构：
纵向声波传播：沿着密度调制方向，凝聚体展现出线性色散的声波，以有限速度传播。这些声模对应于超流体相位和密度调制的集体激发，正如平衡超固体中的两个 Goldstone 模式。横向扩散行为：在与调制垂直的方向上，扰动并非以声波形式传播，而是呈现为扩散性蔓延。这反映了对称性和守恒定律对体系各向异性响应的深刻约束。驱动系统中的超固体类比：尽管体系远离平衡，但观测到的模式与超固体框架高度对应：U(1) 对称性破缺产生相位声模，平移对称性破缺产生密度声模。重要的是，这些模式不是由内禀相互作用单独决定的，而是由外部驱动引发。为理解实验结果，研究者使用了超流体层状流体动力学理论。该理论不依赖于具体的微观机制，而是基于对称性破缺与守恒律进行建模：
超流体条纹态同时保持相位相干和空间调制。理论预言了与实验完全一致的双模特征：纵向传播模式与横向扩散模式。这一成功说明，超固体的语言和框架不仅适用于平衡体系，也能推广到远离平衡的驱动系统。这项研究具有深远影响：
超固体的非平衡推广：实验表明，超固体现象并不限于平衡物理。通过周期性驱动，可以稳定新的有序态并研究其集体激发。新型量子流体力学：系统中同时存在传播与扩散模式，体现了对称性、守恒律与外部驱动之间复杂的相互作用。这为非平衡流体力学提供了新的研究方向。量子模拟平台：驱动 BEC 平台为模拟复杂凝聚态体系提供了新可能，尤其是涉及非平衡晶体与流体态的模拟。这也有助于理解非平衡统计物理中的核心问题。潜在应用前景：虽然目前仍属基础研究，但对驱动量子体系中集体声模的精确控制，未来可能为量子传感、通信或计算提供新思路。驱动量子气体中的类超固体声模的观测是量子多体物理的重要里程碑。通过周期性驱动玻色–爱因斯坦凝聚体的相互作用，研究者实现了一个具有密度调制和超流特性的态，并观测到两种清晰的声学激发，与平衡超固体高度相似。但同时，非平衡特性也带来独特现象，如横向扩散而非声学传播。
借助超流体条纹流体动力学的解释，这一工作凸显了超固体概念的普适性，表明它同样适用于远离平衡的动态体系。展望未来，这一发现为探索非平衡量子相提供了重要契机，不仅深化了基础物理理解，也为潜在的量子技术应用奠定了实验与理论基础。
来源：万象经验一点号
