超固态旋转达到同步，解锁量子洞见

量子涡旋——量子流体中的微小漩涡——导致超流体晶体结构的进动和旋转同步。

超固体是一种奇特的物质状态——它像晶体​​一样坚硬，却又像超流体一样可以无摩擦地流动。这种奇特的量子物质形式直到最近才在偶极量子气体中被发现。

由弗朗西斯卡·费莱诺（Francesca Ferlaino）领导的研究团队着手探索超固体的固体特性和超流体特性如何相互作用，尤其是在旋转条件下。该研究发表在《自然·物理学》（Nature Physics）杂志上。

在他们的实验中，他们利用精心控制的磁场旋转超固体量子气体，并观察到了一种引人注目的现象。

“超固体的量子液滴呈晶体状周期性排列，它们之间都被超流体包裹着，”弗朗西斯卡·费莱诺解释道。

“每个液滴都随着外部磁场的旋转而进动；它们一起旋转。当涡旋进入系统时，进动和旋转开始同步进行。”

“令我们惊讶的是，这种超固态晶体并非只是无序旋转，”领导理论建模的埃琳娜·波利说。“一旦量子涡旋形成，整个结构就会与外部磁场产生节奏——就像大自然找到了自己的节拍一样。”

负责进行实验的安德烈亚·利特维诺夫补充说：“看到数据突然与理论相吻合，真是令人激动。那一刻，系统仿佛‘突然进入了正轨’。”

一种用于探测量子物质的新探测器

同步是指两个或多个系统彼此协调一致。这在自然界中很常见——例如摆钟同步滴答作响、萤火虫一起闪烁、心肌细胞同步跳动等等。因斯布鲁克的研究团队证明，即使是奇异的量子物质也能实现同步。

这项发现不仅加深了我们对这种特殊物质状态的理解，也为探测量子系统提供了一种强有力的新方法。通过追踪同步过程，研究团队得以确定涡旋出现的临界频率——这是旋转量子流体的一个基本属性，此前一直难以直接测量。

研究团队将先进的模拟技术与对超冷镝原子（冷却至仅比绝对零度高十亿分之一度）的精细实验相结合。他们利用一种名为“磁力搅拌”的技术，能够旋转这种超固体，并高精度地捕捉其演化过程。

从实验室到宇宙

这些发现可能具有实验室以外的意义。类似的涡旋动力学被认为在中子星（宇宙中最致密的物体之一）中观测到的突发“故障”现象中发挥作用。

“超固体是探索其他方法无法触及的问题的完美场所，”波利说。“虽然这些系统是在微米级的实验室陷阱中产生的，但它们的行为可能反映出宇宙尺度的现象。”

“这项工作得以完成，得益于理论与实验的紧密合作，以及我们团队年轻研究人员的创造力，”奥地利科学院 (ÖAW) 因斯布鲁克大学实验物理系和量子光学与量子信息研究所 (IQOQI) 的研究组组长 Francesca Ferlaino 说。