物理学家观察到量子流体做出了曾被认为几乎不可能的事情：停止运动。在利用超薄石墨烯进行的实验中，研究人员观察到一种超流体——通常以其永无止境的无摩擦流动为特征——冻结成一种奇特的崭新状态，这种状态看起来像固体，但仍属于量子世界。这种长期寻找的物态被称为超固体，它融合了类晶体的有序结构和超流体行为，已困扰科学家数十年。
物理学家们长久以来一直好奇，如果进一步冷却超流体会发生什么。尽管付出了数十年的努力，这个问题在近50年的时间里仍未得到解答。
一种静止下来的超流体
在《自然》杂志发表的一项新研究中，由哥伦比亚大学的物理学家Cory Dean和德克萨斯大学奥斯汀分校的Jia Li领导的团队报告了一个引人注目的结果。他们观察到一种通常保持持续运动的超流体突然停止了运动。Dean说：“我们首次看到了超流体经历相变，变成了一种看似超固体的物质。” 这种变化可比拟为水结成冰，但发生在量子领域。
什么是超固体？
经典固体的定义是原子被锁定在刚性的、重复的晶体结构中。超固体是这个概念的量子版本。据预测，它拥有有序的、类似固体的排列，同时保留通常与液体相关的性质，包括无摩擦流动。这种结合使得超固体成为物理学提出的最不寻常的物质状态之一。
然而，直到现在，还没有实验清楚地显示超流体自然转变为超固体。这包括氦以及所有其他已知的物质形态。一些实验室演示通过原子、分子和光学（AMO）物理学家创建的高度可控装置模拟了超固体。这些实验依赖激光和光学元件形成一个周期性的势阱，迫使粒子进入重复的模式，类似于果冻在冰格托盘中成形的方式。
转向石墨烯寻找答案
在没有人工约束的情况下自行形成的超固体，一直是凝聚态物理学中争议最大的谜题之一。Dean的团队采用了一种不同的方法，使用天然存在的单层碳原子材料——石墨烯进行研究。该团队成员包括当时在哥伦比亚大学做博士后的Li，以及该团队的前博士生、现为普渡大学助理教授的Yihang Zeng。
石墨烯可以承载称为激子的粒子。当两个原子厚度的石墨烯片堆叠在一起，并进行调控使一层包含额外的电子，而另一层包含额外的空穴（电子响应光离开层后留下的空位）时，就会出现这些准粒子。由于电子带负电荷，空穴带正电荷，两者可以结合在一起形成激子。在强磁场下，这些激子可以集体表现为超流体。
二维材料中惊人的相变
像石墨烯这样的二维材料是研究量子行为的强大工具，因为它们的性质可以被精确调控。研究人员可以控制温度、电磁场甚至层间距等因素。当Dean的团队调整这些参数时，他们注意到一个连接激子密度和温度的意想不到的模式。
当激子密集堆积时，它们作为超流体自由流动。当密度下降时，流动完全停止，系统变成绝缘体。升高温度则恢复了超流体行为。这一序列与长期以来关于超流体如何工作的假设相悖。
Li说：“超流体通常被认为是低温基态。观察到绝缘相熔化变成超流体是前所未有的。这强烈表明低温相是一种极不寻常的激子固体。”
它真的是超固体吗？
这种状态是否完全符合超固体的定义仍然是一个悬而未决的问题。Dean解释说：“我们只能进行一些推测，因为我们探测绝缘体的能力有限”——他们的专长在于输运测量，而绝缘体不传输电流。“目前，我们正在探索围绕这种绝缘态的边界，同时构建新的工具来直接测量它。”
超固体的下一步是什么？
该团队现在正在研究其他可能承载类似量子相的分层材料。在双层石墨烯中，激子超流体和可能的超固体仅在强磁场下出现。其他材料更难制备成所需的构型，但它们可能允许激子在更高温度下稳定存在，且无需磁场。
能够在二维材料中控制超流体可能具有深远的意义。例如，与氦相比，激子的质量轻数千倍，因此它们可能在高得多的温度下形成奇异的量子态。虽然超固体尚未被完全理解，但这些发现提供了强有力的证据，表明二维材料将在揭示这种奇异的量子相如何运作方面发挥核心作用。