微观世界会刮量子龙卷风吗?物理学家在超固体中观测到量子涡旋_风闻

对微观量子涡旋的新观测证实了一种矛盾的物质相的存在，该相态可能存在于中子星内部。

撰文 | Zack Savitsky

编译 | 顾晨晟

图 1 超固体旋转时形成的量子涡旋示意图

在奥地利阿尔卑斯山脉的一个实验室中，稀土金属气体以战斗机般的速度从高温炉中蒸发喷出。随后，激光与磁脉冲的组合作用使气体减速到近乎停止，冷却到低于深空的温度。大约5万个原子失去独立的特性，合并为单一态。最终，通过旋转周围的磁场，微小的量子涡旋诞生出来。

过去三年，因斯布鲁克大学的物理学家弗朗西斯卡·费拉伊诺（Francesca Ferlaino）和她的团队致力于捕捉这些量子涡旋的动态影像。“许多人认为这不可能，”费拉伊诺在今年夏天的一次实验室访谈中表示，“但我坚信我们能成功。”

如今，团队在《Nature》上发表的最新研究中公布了量子涡旋的成像结果，为超固体这一奇异物质相的存在提供了决定性证据。

超固体是一种兼具最坚硬的刚性与超流体无摩擦流动性的矛盾相态。自1957年理论预言以来，其存在性备受争议。尽管此前有间接证据，但新实验首次直接观测到超固体的标志性特征——量子涡旋。研究者认为，此类涡旋或可解释从高温超导体到天体内部结构的广泛的物理图像。

这些量子涡旋或许能揭示物质在宇宙极端条件下的作用规律。脉冲星——高速自转的中子星，本质上是死亡恒星遗留的超致密残骸——被认为可能具有超固体的内部结构。“这实际上是一个极佳的中子星类比系统，”专攻中子星研究的伦敦大学皇家霍洛威学院物理学家凡妮莎·格雷伯（Vanessa Graber）表示，“这一发现令人振奋。”

刚性与超流动性并存

想象一下旋转一个装满不同物质的桶。对于固体来说，由于桶和固体的刚性原子晶格之间的摩擦，固体会随着容器一起旋转。对于液体来说，外部靠近桶壁的原子会因摩擦而随着桶旋转，内部的原子由于液体内部较小的内摩擦而滞后于外部原子（离心作用），因此液体会在桶的中心形成一个涡旋。当物质被冷却到极低温、低密度的情况时，原子会在更长的距离上相互作用，最终形成一个巨大的波浪并且没有任何摩擦的流动，这就是具有零粘滞特性的超流体。1937年，俄国和加拿大的物理学家首先在氦中发现了超流体。

图 2 物理学家弗朗西斯卡·费拉伊诺，发现了超固体的特征特性

试着旋转一桶超流体，即使桶绕着它旋转，超流体也会保持静止。此时，为了抵抗旋转的趋势，超流体突然产生了一个单一的量子涡旋——由原子环流围绕着一个延伸到桶底的虚空之柱成的原子涡旋。继续提高转速，更多完美的龙卷风从容器边缘涌现出来。

在超流体被发现20年后，美国物理学家尤金·格罗斯（Eugene Gross）提出，固体也可能拥有同样的量子集体性，形成兼具晶体结构和超流体性质的奇异物质相（超固体），这一预言引起了物理学家数十年的争论。最终，一幅关于超固体的理论图像出现了，通过调整超流体周围的磁场，降低原子间的斥力，可以使原子聚集成团簇。这些团簇在磁场作用下形成规则排列的晶格结构，各个团簇之间相互排斥，且内部保持着神奇的超流体无摩擦特性。

把一个超固体放在一个旋转的桶中，原子团簇的晶格会与桶同步旋转，表现出固体的性质。但是，由于超流体的性质，当旋转足够快时，超固体会产生量子涡旋，这些涡旋被固定在各个团簇之中。超固体将会兼具这样的刚性与超流动性。格罗斯的预言开启了实验室中探寻超导体的漫长征程。

图 3 超固体中镝原子的2D密度和3D重构图，密集原子团簇呈晶格排列，量子涡旋在空隙之间形成。左图为理论模拟，右图为实验数据。

研究者在2004年首次宣称了超固体的发现，但后续撤回了结论。在2017年和2019年，研究迎来关键进展。来自斯图亚特、佛罗伦萨、因斯布鲁克的研究团队在一维系统中找到了超固体存在的证据。这些团队以镝（Dy）与铒（Er）原子气体作为载体。这些原子天然具有足够的磁性，相当于纳米尺度的条形磁铁。施加磁场会触发这些原子自然聚集成有规则间隔的团簇，形成晶格结构。然后，降低原子的温度和密度，原子之间的相互作用使它们作为相干波自然振荡，同时具有超流体的全部特征。

因斯布鲁克团队的研究生埃琳娜·波利（Elena Poli）说，2019的实验瞥见了超固体两种矛盾的性质。从那以后，该团队将他们假设的超固体从一维扩展到二维，并检验了各种预测的性质。

但是，麻省理工学院的物理学家、斯图亚特团队的前成员延斯·赫特科恩（Jens Hertkorn）说，“目前该研究缺失的是最基本、确凿的超固体是否存在的证据”。超流动性的典型性质是旋转时产生一系列的涡旋。赫特科恩说，尽管经过多年的努力，“在那之前，仍然没有人能成功旋转一个超固体”。

使超固体旋转

为了观察他们的“超固体”对旋转的反应，因斯布鲁克的研究人员用一个磁场作为勺子，以每秒50次的频率搅动原子的内部磁场，这个速度足够温和，可以保持原子的量子相，但又足够引起涡旋。“这是一种非常非常脆弱的状态，任何微小的变化都会破坏它，”费拉伊诺说。

观测这些小龙卷风是一个更大的挑战，该小组花了三年时间研究量子龙卷风。最终，他们执行了特伦托大学物理学家阿莱西奥·雷卡蒂（Alessio Recati）在2022年提出的一项建议。他建议在超固体形成涡流，然后将材料熔化回超流体，在更高的对比度下对涡流进行成像。

图 4 费拉伊诺在因斯布鲁克大学的实验室

去年年初的一个周五晚上，三名研究生拿着笔记本电脑冲进了因斯布鲁克大学附近一家昏暗的酒吧，他们正在寻找团队的两名博士后，这两位博士后可以证实他们在量子气体中“捕获”龙卷风。“这让人无比兴奋，”其中一名博士后托马斯·布兰德（Thomas Bland）说。研究生们离开回实验室去了，布兰德和他的同事留下来庆祝。

“我们都相信这是一个量子涡旋，”没有参与实验的雷卡蒂说。他说，他正在等待实验物理学家测量龙卷风的旋转速度，以完全证实理论预测，但只看图像就已经令人满意了。“这与整个物理学界密切相关。”

赫特科恩期望其他研究小组能够成功复制这一结果，并进一步追踪图像在不同实验条件下的变化情况。并且，他对因斯布鲁克团队在面临巨大挑战时依然坚持不懈地进行精确测量表示赞赏。他指出：“这一实验成果确实令人印象深刻，并且是可以被观察到的。”

与宇宙的连接

今年5月，埃塞基耶尔·祖比埃塔（Ezequiel Zubieta）在布宜诺斯艾利斯郊外的一个小镇上享用炖面包卷午餐时，发现笔记本电脑屏幕上出现了一颗死亡恒星的剧烈变化。祖比埃塔是拉普拉塔国立大学的天文学研究生，他一直在研究船帆座脉冲星奇特的稳定旋转，这颗脉冲星是一颗大约1.1万年前爆炸的大质量恒星的磁化遗迹。

船帆座脉冲星在旋转时，从两极发射辐射束，在地球上观测是每秒闪烁11次，其规律性可与人类制造的最精准时钟相媲美。然而，在那一天，这颗恒星的自转速度比平时快了约 24 亿分之一秒。

美国航空航天局钱德拉X射线天文台拍摄的图像显示，船帆座脉冲星喷出了一股粒子流（距离地球约1000光年的一颗中子星，每秒旋转11次）。该天体急速喷出粒子流时所产生的冲击波与周围星际介质相互作用，呈现出一个弓形结构。

几十年来，天文学家一直想知道是什么原因导致脉冲星突然加速旋转。许多人希望这些脉冲星的“故障”能够帮助他们破解奇特“宇宙灯塔”的内部工作机制。

科学家们知道，恒星的遗骸（即中子星）内部密集地填充着中子——一茶匙的中子星，其重量相当于巍峨的珠穆朗玛峰。然而，对于中子在如此极端环境下究竟会发生何种变化，目前尚无确切答案。不过，天文学家推测，在中子星那坚实外壳之下的一层中，高压环境下的中子会聚集形成具有奇特形状的团块，这些团块常被形象地称为 “核意大利面”。在主要的理论模型中，这些结构可能呈现出类似意式土豆团、意大利细面以及千层面的形态。

在 2022 年的一场会议中，费拉伊诺偶然听到一些天文学家在探讨 “核意大利面” 所具有的一些假定特性。许多研究者认为，那些形似意大利面的中子团块将会合并为超流体，然而，科学家们还不明白这种物质如何引发脉冲星的突变现象。费拉伊诺猜测，这些突变或许正是她在实验室中致力研究的超固体的一些迹象，于是她决定就此展开深入探究。

图 5 中子星内部可能的核意大利面结构

去年，费拉伊诺及其团队对超固体进行了计算机模拟，对假设情况进行建模，如果超固体存在于旋转的中子星内部，将会发生何种现象。他们发现，在涡旋形成之后，其中某个涡旋可能会脱离原位，并与相邻的涡旋发生碰撞，进而引发一场能量传递给中子星外壳的 “龙卷风” 和 “雪崩” 效应。众多的 “龙卷风” 碰撞可能会短暂加速中子星的自转，从而导致脉冲星的“故障”。

格雷伯早些年曾发表过一篇关于中子星实验室模拟研究的综述，当她偶然看到这篇论文时，她非常兴奋。“哇，天哪，” 她回想起当时看到论文中描述的旋转超固体的各种特性时的想法，“还有其他我可以利用的东西呢。” “阅读文本时，我惊喜地发现，‘这些正是我所拥有的！’”

如今，费拉伊诺的团队已在超固体中成功探测到涡旋，接下来，他们计划着手探究这些“龙卷风”如何生成、转移与消散。此外，他们还希望复现脉冲星突变的假定机制，以展示涡旋的“雪崩”效应如何使现实世界中的超固体加速自转。物理学家们同样期望借助这些研究来破解其他一些奇异的物质相的奥秘。在这些物质相中（如高温超导体），量子涡旋可能会发挥关键作用。

与此同时，格雷伯和祖比埃塔等天文学家希望这项研究能够为脉冲星提供一种新的研究方法。通过对涡旋动力学更深入的理解，他们或许可以利用脉冲星突变的观测数据，来推断核意大利面的构成与特性。

“如果能够搞清楚这样小尺度上的物理原理，那对我们来说非常有价值，” 格雷伯说道，“我无法用望远镜观测中子星外壳的内部，而他们实际上掌握了这种能力。”

费拉伊诺团队正在积极搜寻其他可能具备超固体特性的系统，她认为中子星与超固体展现了万物之间本质的关联性。“物理学具有普遍性，”她说道，“人类正在逐步学习和掌握规律。”

本文经授权转载自微信公众号“墨子沙龙”。

来源：https://www.quantamagazine.org/physicists-spot-quantum-tornadoes-twirling-in-a-supersolid-20241106/

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