这种看似相反的性质的共存早已被理论化，但直到最近，对这些性质的实验确认仍然是一项艰巨的任务。然而，最近的一项科学突破表明超固体中存在量子涡旋，证实了其表现得像超流体的能力。这一发现开辟了材料物理学的新视角，并可能具有革命性的应用。
超固体是一种不遵守经典物理定律的物质状态。这种材料具有矛盾的特性：它既是固体又是超流体。换句话说，超固体物质保留了固体的刚性形式，但具有超流体液体的独特能力。超流性是一种量子现象，其中流体即使在非常低的温度下也可以无摩擦地流动。这使得液体沿着容器的侧面上升或无限地移动，永远不会停止。这种现象首次在 20 世纪 30 年代在氦 4 上被注意到，从那时起就一直是物理学家的一个令人着迷的研究对象。
超流最有趣的特征之一是量子涡旋的形成。这些小能量螺旋是由超流体液体的旋转产生的。它们是超流动性的关键指标，但观察它们很困难，特别是在超固体等复杂系统中。现在已经成功了。在《自然》杂志上发表的一项新研究中，由物理学家 Francesca Ferlaino 领导的团队通过在二维超固体中创建量子涡旋取得了突破。
为了进行这项复杂的实验，研究人员使用了超冷铒原子气体，这种气体以其偶极子特性而闻名(铒原子具有很大的磁偶极矩，使它们特别适合此类实验)。原子被冷却到接近绝对零的温度，产生了量子气体，其中量子力学的效应占主导地位。然后，这种气体被转变为超固态——在这种状态下，原子虽然像固体一样以规则的晶体结构排列，但具有液体的特性。
为了研究这种超固体的超流动性，研究人员利用磁场来旋转铒原子的超冷气体。这里的挑战是在不干扰超固体脆弱结构的情况下产生运动，因为即使少量的能量过剩也会破坏超固体状态的稳定。磁场允许超固体轻轻旋转，同时保持其晶体内聚力。
这种混合导致了量子涡旋的形成。请注意，与在水或其他液体中观察到的经典涡旋不同，超流体中的量子涡旋在量子化时非常小且定义明确。这意味着它们以小能量块的形式出现，这是量子力学的一个基本方面。量子涡旋模拟叠加在实验数据上。
正如所料，研究人员注意到超固体中的涡旋行为与氦 4 等经典量子液体中的涡旋行为不同。更具体地说，在氦 4(一种经过充分研究的量子液体)中，超流动性以可以无阻力流动的液体形式表现出来。然而，在既是固体又是液体的超固体物质中，量子涡旋表明超流动性与固体的刚性共存。换句话说，即使超固体保持其刚性形状，它仍然可以像流体一样旋转而不损失能量。这种共存是理论所预测的，并被实验所证实。
这一发现不仅代表了基础物理学的重大进步，而且代表了材料科学的重大进步。这为如何在量子尺度上操纵材料特性的新研究开辟了道路，并可能具有革命性的应用。
例如，超固体及其超流体特性可用于开发新型超导体，在不损失能量的情况下传输电力，甚至可以模拟在天体物理环境中观察到的极端现象。例如，中子星表现出被称为故障的神秘行为，即旋转速度的快速变化。这些异常可能是由这些恒星内部形成的超流体涡流引起的。通过研究超固体中的量子涡旋，科学家希望更好地理解这些现象并在实验室中重现它们。
