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研究背景

超固體是同時(shí)具有超流性和固態(tài)特性的物質(zhì)狀態(tài)，因其能自發(fā)破缺平移對(duì)稱性和相位對(duì)稱性，成為了近年來的研究熱點(diǎn)。然而，超固體的研究面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是在如何表征和觀察其旋轉(zhuǎn)響應(yīng)以及渦旋特性方面存在很大困難。盡管偶極原子系統(tǒng)被認(rèn)為是探索超固體的理想平臺(tái)，并且已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，如通過相干性測(cè)量和Goldstone模態(tài)的研究，仍然未能觀察到渦旋現(xiàn)象，這使得超流性的流體動(dòng)力學(xué)特征未能得到驗(yàn)證。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，奧地利因斯布魯克大學(xué)Francesca Ferlaino教授團(tuán)隊(duì)通過磁攪拌技術(shù)生成渦旋的策略，并結(jié)合擴(kuò)展Gross–Pitaevskii方程（eGPE）對(duì)超固體在旋轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)進(jìn)行理論探討。研究者們通過這一方法，首次在偶極超固體中生成并觀察到渦旋，揭示了未調(diào)制和調(diào)制量子流體之間渦旋播種動(dòng)力學(xué)的根本差異。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超固體在旋轉(zhuǎn)過程中展現(xiàn)出獨(dú)特的渦旋特性，包括渦旋的陣列組織、晶格結(jié)構(gòu)以及與晶體的相互作用，進(jìn)一步驗(yàn)證了超固體的超流性特征。此研究為超固體的流體動(dòng)力學(xué)特性提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并為量子晶體和中子星等領(lǐng)域的研究開辟了新的方向。該工作以題為“Observation of vortices in a dipolar supersolid”的論文發(fā)表在最新一期《Nature》上，

值得注意的是，于2021年8月，F(xiàn)rancesca Ferlaino教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員首次報(bào)道了通過在結(jié)構(gòu)相變的兩個(gè)方向上制備鏑原子的超固體量子氣體來證明超固體性質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，該研究類似于離子鏈、量子線和理論上在單個(gè)偶極粒子鏈。該報(bào)道以“Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas”發(fā)表在《Nature》。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次觀察到超固體中的量子渦旋，驗(yàn)證了其超流性。

本文通過結(jié)合理論研究和實(shí)驗(yàn)，首次觀察到超固體（SSP）中渦旋的存在，并揭示了超固體相的獨(dú)特動(dòng)力學(xué)行為。通過使用磁攪拌技術(shù)生成渦旋，研究人員能夠探討不同頻率下超固體的響應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)為研究具有多重自發(fā)破缺對(duì)稱性的量子系統(tǒng)提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了超固體的超流性特征。

2. 實(shí)驗(yàn)通過比較未調(diào)制的玻色–愛因斯坦凝聚體（BEC）和超固體的渦旋生成模式，發(fā)現(xiàn)了顯著差異。

本研究通過對(duì)未調(diào)制的BEC和超固體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下的渦旋生成過程進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者的渦旋播種動(dòng)力學(xué)存在顯著不同。未調(diào)制的BEC中，隨著旋轉(zhuǎn)頻率的增加，量子渦旋逐漸出現(xiàn)在云團(tuán)表面并呈現(xiàn)明顯的2π相位旋轉(zhuǎn)。相比之下，超固體的渦旋生成表現(xiàn)出復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)和不可旋轉(zhuǎn)行為的混合特性，渦旋與晶體的相互作用使得渦旋表現(xiàn)出獨(dú)特的固定和蛇形運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)特征。

3. 通過擴(kuò)展Gross-Pitaevskii方程，研究了超固體的渦旋動(dòng)態(tài)。

本文還使用擴(kuò)展Gross-Pitaevskii方程（eGPE）對(duì)超固體中的渦旋動(dòng)態(tài)進(jìn)行了理論研究，考慮了短程和長程相互作用的影響。通過調(diào)節(jié)短程相互作用，研究者能夠精確控制超固體相和BEC相的轉(zhuǎn)變，從而揭示了兩種不同相態(tài)下渦旋的生成和穩(wěn)定性差異。這一理論分析為進(jìn)一步理解超固體在旋轉(zhuǎn)下的行為提供了重要的理論依據(jù)。

圖文解讀

圖 1：超固體和未調(diào)制的玻色–愛因斯坦凝聚體中渦旋生成的模擬圖。

圖 2：164Dy偶極超固體的磁攪拌過程。

圖 3：偶極超固體和玻色–愛因斯坦凝聚體中的渦旋生成。

圖 4：時(shí)間飛行（TOF）干涉圖樣。

結(jié)論展望

本文的研究為超固體狀態(tài)中的渦旋現(xiàn)象提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并揭示了超固體中獨(dú)特的渦旋行為。這一發(fā)現(xiàn)不僅完善了超流性在超固體中的證據(jù)框架，還為研究者提供了一個(gè)新的表征超固體的方法，即通過其對(duì)旋轉(zhuǎn)的特征響應(yīng)來識(shí)別該狀態(tài)。這種渦旋行為的研究可能在多個(gè)物理系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，包括固態(tài)系統(tǒng)、高溫超導(dǎo)體、氦氣平臺(tái)甚至中子星的內(nèi)核等。

研究中還揭示了超固體中的多重競(jìng)爭(zhēng)長度尺度的相互作用，包括渦旋之間的間距、自形成晶體的波長和渦旋核心的直徑等，這些競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系可能導(dǎo)致一系列獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，如運(yùn)動(dòng)受限、釘扎效應(yīng)以及雪崩逃逸等。這些現(xiàn)象為超固體的研究提供了新的視角，并有望推動(dòng)超流性、量子物理及其在多樣化系統(tǒng)中的應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。此外，實(shí)驗(yàn)中采用的磁攪拌技術(shù)和相互作用快速變化的方式，也為研究其他量子物態(tài)提供了寶貴的實(shí)驗(yàn)方法，具有廣泛的研究?jī)r(jià)值。

文獻(xiàn)信息

Casotti, E., Poli, E., Klaus, L. et al. Observation of vortices in a dipolar supersolid. Nature (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/11/09/b3728c0599/

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