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據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)與得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，首次在雙層石墨烯體系中觀察到了由超流體向疑似超固體轉(zhuǎn)變的相變過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的實(shí)驗(yàn)空白，標(biāo)志著人類(lèi)在操縱高溫量子物態(tài)方面邁出了關(guān)鍵一步。

普通物質(zhì)隨溫度下降會(huì)經(jīng)歷“氣—液—固”的轉(zhuǎn)變，而量子物質(zhì)的行為卻不同。20世紀(jì)初，研究人員發(fā)現(xiàn)氦氣冷卻后會(huì)從普通氣體轉(zhuǎn)變?yōu)椤俺黧w”，可無(wú)能量損耗流動(dòng)。長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)界一直在追問(wèn)：當(dāng)超流體進(jìn)一步冷卻，會(huì)出現(xiàn)怎樣的新量子態(tài)？

一種可能是，超流體在極低溫度下形成兼具固體和液體特性的量子態(tài)，被稱為超固體。超固體既有晶格結(jié)構(gòu)，又可像液體一樣流動(dòng)。盡管理論早有預(yù)測(cè)，但在天然物質(zhì)中尚未明確觀測(cè)到超流體向超固體的自發(fā)轉(zhuǎn)變。此前的實(shí)驗(yàn)，多依賴激光等手段在人工構(gòu)建的周期性勢(shì)阱中模擬該狀態(tài)。

此次研究采用雙層石墨烯作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)調(diào)控兩層石墨烯中的電子與空穴分布，可形成名為“激子”的準(zhǔn)粒子。在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，這些激子能夠凝聚成超流體。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激子密度較高時(shí)，體系呈現(xiàn)典型的超流行為。但隨著密度降低，激子運(yùn)動(dòng)被抑制，體系轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為絕緣體。進(jìn)一步升高溫度后，超流特性再次出現(xiàn)。

超流體通常被視為低溫下的穩(wěn)定基態(tài)，而此次觀測(cè)到的低溫絕緣相在升溫后“融化”為超流體，這種反常行為此前從未在相關(guān)體系中出現(xiàn)，暗示該低溫相可能是一種非常規(guī)的激子固體。

該研究表明，二維材料可為探索超流體、超固體等量子相態(tài)提供了新的可能。與傳統(tǒng)體系相比，激子的有效質(zhì)量更輕，有望在更高溫度下形成相關(guān)量子態(tài)。同時(shí)，這一成果還豐富了凝聚態(tài)物理研究?jī)?nèi)容，為人類(lèi)理解和操縱復(fù)雜量子物態(tài)提供了新的實(shí)驗(yàn)途徑。