论文部分内容阅读
2017年3月初，美国麻省理工学院的物理学家在《自然》杂志上发文宣称，他们利用激光冷却的方法，将一定数量的两组钠原子冷却到绝对零度（-273.15℃）附近，然后将两组量子态进行态的叠加，得到了一种新的物质形态——超固体，
也许你听说过气体、液体、固体、等离子体，以往我们也介绍过超导体，但是超固体又是什么呢？是超级坚硬的固体，还是超级导电体？别急，接着往下看。
重新认识固体
超固体，这种新的物质形态，其实同时具有固体和超流体的性质。
固体的概念听起来十分熟悉，然而，今天我们可能要再重新去认识一下固体。
固体材料大致可分为晶体、准晶体和非晶体。科学家们研究最多的便是理想晶体，因为它具有一定的晶格结构，可通过几何建模和量子力学来研究晶体的物理特性，然后再将理想模型加以推广至一般的模型，就可以近似地知道非理想晶體的一些特性了。
晶体不仅具有一定的熔点，还呈现各向异性的特点。如果晶体是由单一原子构成的，那么晶体就可以看做是几个原子构成的“基元”（最小单元），每个原子处于特定位置（称为点阵），加上基元周期性的排列（晶格），最终形成了整个宏观物体。想要构成宏观尺度的晶体，需要数以亿计的原子堆积而成。
晶体中较为出名的就是金刚石（钻石）了。金刚石的结构比较特殊，它的内部原子可与周围相邻的原子构成正四面体（也称正三棱锥），具有很强的稳定性。当然，你可别把金刚石想得很神奇。它也是由碳原子构成的，这和我们平常所用的铅笔芯（石墨）组成成分是一样的，只不过其原子的排列方式不同而已。只需适当地利用高温高压，就可以分分钟将我们所用的铅笔芯变成“高大上”的钻戒了。
“叛逆”的超流体
那么，超流体又是什么呢？
生活中最常见的液体莫过于水了，将水沿着杯壁倒入时，生活经验告诉我们：水一定会沿着杯壁往下流。那么问题来了，有没有一种“反重力”的液体，将它装入杯中的时候，能够自动沿着杯壁往上流呢？有的，这样的流体就被称为超流体（这其实是量子效应产生的结果）。最常见的超流体就是液氦，液氦的温度在-270℃左右。而宏观物体，在处于绝对零度附近时，就会表现出奇特的量子效应出来。
为什么超流体具有如此诡异的特性呢？原来，不管是超导体还是超流体，它们均是低温下的一种量子效应而已——波色-爱因斯坦凝聚（该理论由波色提出，爱因斯坦将其发展，后人称之为波色-爱因斯坦；疑聚）。一旦超流体进入超流状态时，它将毫无黏滞性，稍加搅动，它就可以在容器中永久地运动下去。
超流体是一种量子统计结果，在温度逐渐靠近绝对零度附近时，原子等微观粒子的能量逐渐降低到基态（原子的最低能量态）附近，然后它们的能量开始“凝聚”。这就好像天气变冷了，幼小的小鸡们“凝聚”在母鸡妈妈周围，抱团取暖一样。超流效应在量子计算机的研发方面起着不可估量的作用。
新物质形态——超固体闪亮登场
激光冷却原子
前面已经说了，超固体具有固体和超流体的双重特性，那么问题来了，科学家们是通过什么手段合成了超固体呢？
首先，美国麻省理工学院科学家们利用激光冷却的方法，将两组具有一定数量的钠原子冷却到绝对零度附近（与此同时，爱因斯坦的母校——瑞士苏黎世联邦理工学院利用铷原子得到了超固体）。为什么要用激光冷却呢？因为当钠原子与光子相互碰撞之后，原子可以吸收掉光子，让自己减速，从而达到冷却的目的。打个比方来说，当两个一大一小弹珠相向运动碰撞时，其中小的弹珠（就好像光子）就会因碰撞而减速甚至停下来（被原子吃掉了），而大的弹珠（原子）也会减速下来。
一旦大量的钠原子冷却到绝对零度附近时，钠原子便会产生波色一爱因斯坦凝聚效应，出现超流现象。先前的理论研究表明，想要形成超固体，超流体与固体的量子态要进行“杂交”。因而，难点在于如何产生具有固体特征的量子态。
如果你不知道什么叫做量子叠加的话，那么你应该听说过大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。薛定谔的猫源自于薛定谔在一篇论文中的一个思想（假想）实验：当一只猫处于一个封闭的箱子中时，在箱子中放置具有衰变特性的放射性物质，而放射性物质衰变具有不确定性，一旦放射性物质衰变触发了箱子中的毒气开关，就可以将猫杀死。但是在我们没有打开箱子之前，我们无法判定猫到底是活的还是死的（因为我们并不知道放射性物质是否衰变了），这时我们称猫处于既死又活的状态——量子叠加态。这个思想实验的巧妙之处在于，薛定谔将微观量子现象放大为猫生死的宏观状态。
了解了“薛定谔的猫”的思想实验之后，我们大致知道什么叫叠加态了。科学家就是利用一组进入超流态的钠原子和一组粒子的自旋（有点类似地球的自转），以及自身的运动形成相互作用，经过物理调控过后得到了具有晶格特征的钠原子，进行量子态叠加，从而形成了超固体。
当然，每当一种新物质被发现时，科学家头脑的第一个想法便是它们可以用来干什么，能对实际生活有着怎样的利用价值。由于超固体这种新物态才合成，要想更好地运用到实际生活中，即便是它的发现者——麻省理工学院和瑞士苏黎世理工学院的科学家也是一头雾水。尽管如此，科学家们仍在积极地研究超固体和超导体之间是否存在一定的联系，毕竟超固体具有固体和超流体的“优良血统”，这对于发展新的超导体材料有着重要的研究价值。
（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）
也许你听说过气体、液体、固体、等离子体，以往我们也介绍过超导体，但是超固体又是什么呢？是超级坚硬的固体，还是超级导电体？别急，接着往下看。
重新认识固体
超固体，这种新的物质形态，其实同时具有固体和超流体的性质。
固体的概念听起来十分熟悉，然而，今天我们可能要再重新去认识一下固体。
固体材料大致可分为晶体、准晶体和非晶体。科学家们研究最多的便是理想晶体，因为它具有一定的晶格结构，可通过几何建模和量子力学来研究晶体的物理特性，然后再将理想模型加以推广至一般的模型，就可以近似地知道非理想晶體的一些特性了。
晶体不仅具有一定的熔点，还呈现各向异性的特点。如果晶体是由单一原子构成的，那么晶体就可以看做是几个原子构成的“基元”（最小单元），每个原子处于特定位置（称为点阵），加上基元周期性的排列（晶格），最终形成了整个宏观物体。想要构成宏观尺度的晶体，需要数以亿计的原子堆积而成。
晶体中较为出名的就是金刚石（钻石）了。金刚石的结构比较特殊，它的内部原子可与周围相邻的原子构成正四面体（也称正三棱锥），具有很强的稳定性。当然，你可别把金刚石想得很神奇。它也是由碳原子构成的，这和我们平常所用的铅笔芯（石墨）组成成分是一样的，只不过其原子的排列方式不同而已。只需适当地利用高温高压，就可以分分钟将我们所用的铅笔芯变成“高大上”的钻戒了。
“叛逆”的超流体
那么，超流体又是什么呢？
生活中最常见的液体莫过于水了，将水沿着杯壁倒入时，生活经验告诉我们：水一定会沿着杯壁往下流。那么问题来了，有没有一种“反重力”的液体，将它装入杯中的时候，能够自动沿着杯壁往上流呢？有的，这样的流体就被称为超流体（这其实是量子效应产生的结果）。最常见的超流体就是液氦，液氦的温度在-270℃左右。而宏观物体，在处于绝对零度附近时，就会表现出奇特的量子效应出来。
为什么超流体具有如此诡异的特性呢？原来，不管是超导体还是超流体，它们均是低温下的一种量子效应而已——波色-爱因斯坦凝聚（该理论由波色提出，爱因斯坦将其发展，后人称之为波色-爱因斯坦；疑聚）。一旦超流体进入超流状态时，它将毫无黏滞性，稍加搅动，它就可以在容器中永久地运动下去。
超流体是一种量子统计结果，在温度逐渐靠近绝对零度附近时，原子等微观粒子的能量逐渐降低到基态（原子的最低能量态）附近，然后它们的能量开始“凝聚”。这就好像天气变冷了，幼小的小鸡们“凝聚”在母鸡妈妈周围，抱团取暖一样。超流效应在量子计算机的研发方面起着不可估量的作用。
新物质形态——超固体闪亮登场
激光冷却原子
前面已经说了，超固体具有固体和超流体的双重特性，那么问题来了，科学家们是通过什么手段合成了超固体呢？
首先，美国麻省理工学院科学家们利用激光冷却的方法，将两组具有一定数量的钠原子冷却到绝对零度附近（与此同时，爱因斯坦的母校——瑞士苏黎世联邦理工学院利用铷原子得到了超固体）。为什么要用激光冷却呢？因为当钠原子与光子相互碰撞之后，原子可以吸收掉光子，让自己减速，从而达到冷却的目的。打个比方来说，当两个一大一小弹珠相向运动碰撞时，其中小的弹珠（就好像光子）就会因碰撞而减速甚至停下来（被原子吃掉了），而大的弹珠（原子）也会减速下来。
一旦大量的钠原子冷却到绝对零度附近时，钠原子便会产生波色一爱因斯坦凝聚效应，出现超流现象。先前的理论研究表明，想要形成超固体，超流体与固体的量子态要进行“杂交”。因而，难点在于如何产生具有固体特征的量子态。
如果你不知道什么叫做量子叠加的话，那么你应该听说过大名鼎鼎的“薛定谔的猫”。薛定谔的猫源自于薛定谔在一篇论文中的一个思想（假想）实验：当一只猫处于一个封闭的箱子中时，在箱子中放置具有衰变特性的放射性物质，而放射性物质衰变具有不确定性，一旦放射性物质衰变触发了箱子中的毒气开关，就可以将猫杀死。但是在我们没有打开箱子之前，我们无法判定猫到底是活的还是死的（因为我们并不知道放射性物质是否衰变了），这时我们称猫处于既死又活的状态——量子叠加态。这个思想实验的巧妙之处在于，薛定谔将微观量子现象放大为猫生死的宏观状态。
了解了“薛定谔的猫”的思想实验之后，我们大致知道什么叫叠加态了。科学家就是利用一组进入超流态的钠原子和一组粒子的自旋（有点类似地球的自转），以及自身的运动形成相互作用，经过物理调控过后得到了具有晶格特征的钠原子，进行量子态叠加，从而形成了超固体。
当然，每当一种新物质被发现时，科学家头脑的第一个想法便是它们可以用来干什么，能对实际生活有着怎样的利用价值。由于超固体这种新物态才合成，要想更好地运用到实际生活中，即便是它的发现者——麻省理工学院和瑞士苏黎世理工学院的科学家也是一头雾水。尽管如此，科学家们仍在积极地研究超固体和超导体之间是否存在一定的联系，毕竟超固体具有固体和超流体的“优良血统”，这对于发展新的超导体材料有着重要的研究价值。
（责任编辑：司明婧 责任校对：曹伟）