广义相对论重力分析（零摩擦力滑行的超固体是啥）

科学家证实玻色–爱因斯坦凝聚态（Bose Einstein condensate，简称BEC）的存在至今已有20多年时间。事实证明，BEC的最佳应用之一，是可以探索其他量子事物，比如固体——没错，固体的特性是由量子力学决定的。

在那些固体中，有一种富有争议、有可能并不存在、目前还停留在理论阶段的固体：超固体。现在，两位理论物理学家证明，研究人员最近观察到的BEC“液滴”，也许是制备类超固体材料的一种方法。这可能为我们带来了一种探索超固体特性的途径，同时也绕开了与传统材料有关的种种困难。

BEC是一种需要特定类型粒子才能获得的物质状态。粒子世界基本上可以分为两个阵营：要么是费米子，要么是玻色子。费米子彼此看不顺眼，所以它们会按照从低能量到高能量的顺序积聚起来。任何两个彼此够得着的费米子必然是不同的，那可能意味着不同的能量状态，不同的自旋，或者其他一些不同的特性，但它们必须是不同的才行。几乎所有事物都是由费米子组成的，宇宙之所以是现在这个样子，就是由费米子的积聚方式决定的。

玻色子与此不同。

它们乐于待在一起，并在同一状态下“聚会”。它们不仅不介意拥有相同的状态，而且它们喜欢这样。如果几个玻色子发现自己处在同一状态，它们会立刻“呼朋唤友”，让朋友们也加入进来。而且，如果玻色子有办法产生足够的能量，它们一定会那样做。其结果就是，我们能够相对容易地制备非常冷的玻色子气体，它们都处于完全相同的量子状态，也就是BEC。

然而，并非所有的玻色子和BEC都是相同的。尽管玻色子喜欢处于同一状态，但大多数玻色子都是复合粒子，也就是说，它们的一些组成部分是费米子。因此，也会有一些力量在发挥作用，试图把原子驱逐出BEC。把BEC聚合在一起的引力以及试图把它打散的斥力，这两种力之间的相对强度是受到实验控制的。

对BEC进行观察时，我们发现了一个略显怪异的现象：当条件合适时，某些类型的BEC会形成液滴阵列。我们已经观测到，它们会形成一系列具有相对高密度、间隔均匀的球体，但我们不知道它们为何会如此。此外，我们也不知道那些液滴具有何种特性。

对这种现象进行了合理透彻的探究之后，两位理论物理学家回答了其中的一些问题。首先，液滴的形成代表着力的平衡。如前所述，一边有把BEC聚合在一起的引力，另一边有把它打散的斥力。对于那些能够形成液滴的BEC类型，斥力不仅会随着密度的变化而变化，还跟原子序数存在密切关联。少数原子可以紧密结合在一起，但这个数字不能太大，否则原子就会被打散。这意味着，BEC形成了一些高密度的液滴，而它们全都相互排斥。把它们放到用来控制BEC的陷阱里，我们就能得到一个漂亮整齐的二维液滴阵列。

研究人员想弄明白，液滴是否仍然是同一个BEC的组成部分。BEC之所以能成为单一实体，是因为其原子之间的一种集体行为。然而，那种集体行为要求不同的BEC液滴连接在一起，而这种连接的表现形式就是原子在它们之间移动。

研究人员已经证明，如果陷阱把液滴压在一起，原子会在不同的液滴之间有规律地移动，这将让BEC得以维持其集体行为。

但重要的是，他们发现，在这种情况下，BEC会表现得像一个超固体。但随着液滴远离彼此，原子无法继续在液滴之间移动。到了那个时候，BEC就不再表现得像一个超固体了。

这种超固体状态的转变非常重要，因为目前，超固体仍然存在争议。超固体属于固体，也就是说，它们能像普通固体一样保持自己的形状。但超固体也有一些奇怪的特性，比如，它能毫无摩擦力地沿着某个平面滑动。有几位实验科学家声称，他们已经观察到了超固态，不过，他们的实验尚不明确，缺乏说服力。

如今，我们拥有了一件工具，可以细致地研究超固体的形式及其相变，并彻底探究超固态的特性。有了它的帮助，对于传统固态实验得出的结论，无论是反驳或是支持，我们都应该更容易做出评判。

翻译：何无鱼

审校：李莉

编辑：漫倩

来源：Ars Technica

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