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研究背景

超固體是同時具有超流性和固態特性的物質狀態，因其能自發破缺平移對稱性和相位對稱性，成為了近年來的研究熱點。然而，超固體的研究面臨著諸多挑戰，尤其是在如何表征和觀察其旋轉響應以及渦旋特性方面存在很大困難。盡管偶極原子系統被認為是探索超固體的理想平臺，并且已經取得了一些進展，如通過相干性測量和Goldstone模態的研究，仍然未能觀察到渦旋現象，這使得超流性的流體動力學特征未能得到驗證。

成果簡介

有鑒于此，奧地利因斯布魯克大學Francesca Ferlaino教授團隊通過磁攪拌技術生成渦旋的策略，并結合擴展Gross–Pitaevskii方程（eGPE）對超固體在旋轉過程中的動態進行理論探討。研究者們通過這一方法，首次在偶極超固體中生成并觀察到渦旋，揭示了未調制和調制量子流體之間渦旋播種動力學的根本差異。

實驗結果表明，超固體在旋轉過程中展現出獨特的渦旋特性，包括渦旋的陣列組織、晶格結構以及與晶體的相互作用，進一步驗證了超固體的超流性特征。此研究為超固體的流體動力學特性提供了新的實驗依據，并為量子晶體和中子星等領域的研究開辟了新的方向。該工作以題為“Observation of vortices in a dipolar supersolid”的論文發表在最新一期《Nature》上，

值得注意的是，于2021年8月，Francesca Ferlaino教授領導的研究人員首次報道了通過在結構相變的兩個方向上制備鏑原子的超固體量子氣體來證明超固體性質的二維結構擴展，該研究類似于離子鏈、量子線和理論上在單個偶極粒子鏈。該報道以“Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas”發表在《Nature》。

研究亮點

1. 實驗首次觀察到超固體中的量子渦旋，驗證了其超流性。

本文通過結合理論研究和實驗，首次觀察到超固體（SSP）中渦旋的存在，并揭示了超固體相的獨特動力學行為。通過使用磁攪拌技術生成渦旋，研究人員能夠探討不同頻率下超固體的響應。該實驗為研究具有多重自發破缺對稱性的量子系統提供了新的實驗平臺和方法，進一步驗證了超固體的超流性特征。

2. 實驗通過比較未調制的玻色–愛因斯坦凝聚體（BEC）和超固體的渦旋生成模式，發現了顯著差異。

本研究通過對未調制的BEC和超固體在旋轉磁場下的渦旋生成過程進行對比，實驗發現兩者的渦旋播種動力學存在顯著不同。未調制的BEC中，隨著旋轉頻率的增加，量子渦旋逐漸出現在云團表面并呈現明顯的2π相位旋轉。相比之下，超固體的渦旋生成表現出復雜的旋轉和不可旋轉行為的混合特性，渦旋與晶體的相互作用使得渦旋表現出獨特的固定和蛇形運動等動態特征。

3. 通過擴展Gross-Pitaevskii方程，研究了超固體的渦旋動態。

本文還使用擴展Gross-Pitaevskii方程（eGPE）對超固體中的渦旋動態進行了理論研究，考慮了短程和長程相互作用的影響。通過調節短程相互作用，研究者能夠精確控制超固體相和BEC相的轉變，從而揭示了兩種不同相態下渦旋的生成和穩定性差異。這一理論分析為進一步理解超固體在旋轉下的行為提供了重要的理論依據。

圖文解讀

圖 1：超固體和未調制的玻色–愛因斯坦凝聚體中渦旋生成的模擬圖。

圖 2：164Dy偶極超固體的磁攪拌過程。

圖 3：偶極超固體和玻色–愛因斯坦凝聚體中的渦旋生成。

圖 4：時間飛行（TOF）干涉圖樣。

結論展望

本文的研究為超固體狀態中的渦旋現象提供了關鍵實驗證據，并揭示了超固體中獨特的渦旋行為。這一發現不僅完善了超流性在超固體中的證據框架，還為研究者提供了一個新的表征超固體的方法，即通過其對旋轉的特征響應來識別該狀態。這種渦旋行為的研究可能在多個物理系統中具有廣泛的應用，包括固態系統、高溫超導體、氦氣平臺甚至中子星的內核等。

研究中還揭示了超固體中的多重競爭長度尺度的相互作用，包括渦旋之間的間距、自形成晶體的波長和渦旋核心的直徑等，這些競爭關系可能導致一系列獨特的動力學現象，如運動受限、釘扎效應以及雪崩逃逸等。這些現象為超固體的研究提供了新的視角，并有望推動超流性、量子物理及其在多樣化系統中的應用的進一步發展。此外，實驗中采用的磁攪拌技術和相互作用快速變化的方式，也為研究其他量子物態提供了寶貴的實驗方法，具有廣泛的研究價值。

文獻信息

Casotti, E., Poli, E., Klaus, L. et al. Observation of vortices in a dipolar supersolid. Nature (2024).

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