超流体，具有超流体特性的固体材料(即，物质可以零粘度流动)，最近成为众多物理研究的焦点。超弹性是物质的矛盾阶段，其中两个不同且有些相反的阶数共存，导致材料既是晶体又是超流体。
最初在20世纪60年代末预测，超固体性逐渐成为越来越多研究的焦点，引发了不同科学领域的争论。例如，几年前，一组研究人员发表了有争议的结果，确定了这一阶段的固体氦，后来被作者自己否定了。
这项研究的一个关键问题是它没有考虑氦的复杂性以及它有时会产生的不可靠的观察结果。此外，在原子中，相互作用通常非常强且稳定，这使得该相更难发生。
偶极量子气体位于诸如固体氦之类的结构的相反极端，因为它们由在冷却至纳米开尔文温度的气相中的超冷磁性原子组成。因此，在这些气体中，原子之间的相互作用很弱，但它们也是长程的，并且可以通过外部控制的磁场进行调节。
由于它们具有高度的可调性，几年前，量子气体开始出现在超固体理论提案中。使用耦合到光场的气体的第一次实验显示具有超固体状态的状态，但在这些状态下，固体仍然是不可压缩的。
最后，几个月前，三个研究小组正在调查高磁性原子的超冷气体(由Tilman Pfau领导的德国小组，由Giovanni Modugno领导的意大利小组以及因斯布鲁克大学和Quantenoptik und Quanteninformation研究所的一组研究人员由Francesca Ferlaino领导，同时发表了具有超固体特性的州的观察结果。
“我们能够证明，在特定的相互作用条件下，磁性气体经历了向超固态的相变，显示出自发密度调制(即晶体)和全球相位相干性(即超流体)，”以因斯布鲁克为基础研究员通过电子邮件告诉Phys.org。“值得注意的是，超固体属性确实来自于具有强偶极 - 偶极贡献的裸粒子间相互作用。”
在此前的研究成果的基础上，由Francesca Farlaino领导的研究小组开展了一项新研究，研究了被困偶极超固体的激发光谱，收集了有趣的新观察结果。这项研究是揭示物质的超固体状态如何响应激发的重要一步。
“探测超固体性，重要的是要证明系统的超流体和晶体性质对扰动的反应不同，”研究人员解释说。“更一般地说，在量子物理学中，任何系统都有固有的激发模式来表征它如何响应扰动。例如，一个受压的吉他弦只响应给定的频率，产生清晰的声音，训练有素的耳朵可以识别为特定的注意，估计弦的特征。量子系统同样适用;它的激发光谱揭示了其内在特征的密切信息。探测超固体的激发因此可以对这个有趣的阶段进行新的和更深入的洞察。
研究人员观察到的反应符合与超弹性相关的理论预测，这表明他们成功地观察到了超固体状态。他们的论文发表在“ 物理评论快报”上，专门关注在超流体和超固体之间进行过渡时放置在三维各向异性陷阱中的偶极玻色气体的基本激发谱。
研究人员告诉Phys.org，“通过研究对系统激发的响应，我们向前迈出了重要的一步”。“系统响应的方式告诉你很多关于系统本身的信息。足以考虑外部激发，其中一个人在一个系统上扔石头，如果一个人将这块石头抛向大海，反应就会有多么不同这只是一个例子;我们不是扔石头，而是研究系统的可压缩性。“
在他们的研究中，Ferlaino和她的同事基本上通过改变外部磁场的值来探测由光形成的雪茄形陷阱中的铒原子的量子气体产生的超固态的激发模式。在该实验装置中，密度调制沿着阱自发出现，而系统保持超流体。
然后，研究人员通过在密度调制出现的相同方向上扰动陷阱来全局激发系统。这导致了不同模式的激发，它们通过观察随着时间的推移气体(通过使气体膨胀获得)的物质 - 波干涉的模式变化来探测。
“在我们的工作中，我们通过对我们观察到的模式的时间演变应用一种称为主成分分析的无模型统计分析来识别不同的基本激发模式，”研究人员说。“我们最有意义的观察结果是，在超固体中同时存在两个阶 - 晶体和超流体 - 转化为其基本激发光谱的显着特性，我们在工作中进一步研究了这一特性。”
过去的研究表明，在热力学极限下(即在无限系统中)，晶体和超流体特性的存在在激发光谱中产生两个分支，每个分支与一个阶数相关联。这导致模式分别是晶体结构的振动或超流体的流动。在他们的研究中，Ferlaino和她的同事在理论和实验上都表明，超固体光谱的这一关键特征发生在只有少数晶体位置的实验室系统中。
“在实验上，我们观察到当系统从常规超流体转变为超固体时，系统对我们的全局激发方案的响应从一个激发模式变为几个激发模式，反映了系统中激发分支的多样性，”研究人员解释说。“重要的是，当更深地进入超固体状态时，即当相的超流体特性减小时，一类激发模式的能量成本降低。这种行为表征了在液滴阵列内引起超流体流动的模式。 “
研究人员发现，在玻色 - 爱因斯坦凝聚体系中，他们检测的系统表现出普通的四极振荡，在超固体状态下，它产生了一个有趣的双频响应。该响应与系统的两个自发破坏的对称性相关联。
Ferlaino及其同事进行的这项研究证明了超固体状态下超流体流动的可能性，而其固体弹性是敏感的。然而，为了确定他们的观察结果，研究人员还需要证明超流体的非旋转性，例如通过观察涡流。这是他们希望在未来的工作中完成的许多事情之一。
研究人员说：“超固体偶极气体的故事仍然是一本不完整的书，许多章节仍有待撰写。” “例如，超流体部分如何沿着相图演变?这种系统中超流体流动的本质是什么?系统如何对旋转或局部扰动作出反应?人们可以捕获的其他特征是什么?来自超固体的激发光谱，涉及其固体弹性和超流体分数?这些只是我们未来可以探索的一些令人兴奋的方向。“