重磅！二维超固体，再次登顶Nature！

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研究背景
超固体是同时具有超流性和固态特性的物质状态，因其能自发破缺平移对称性和相位对称性，成为了近年来的研究热点。然而，超固体的研究面临着诸多挑战，尤其是在如何表征和观察其旋转响应以及涡旋特性方面存在很大困难。尽管偶极原子系统被认为是探索超固体的理想平台，并且已经取得了一些进展，如通过相干性测量和Goldstone模态的研究，仍然未能观察到涡旋现象，这使得超流性的流体动力学特征未能得到验证。
成果简介
有鉴于此，奥地利因斯布鲁克大学Francesca Ferlaino教授团队通过磁搅拌技术生成涡旋的策略，并结合扩展Gross–Pitaevskii方程（eGPE）对超固体在旋转过程中的动态进行理论探讨。研究者们通过这一方法，首次在偶极超固体中生成并观察到涡旋，揭示了未调制和调制量子流体之间涡旋播种动力学的根本差异。
实验结果表明，超固体在旋转过程中展现出独特的涡旋特性，包括涡旋的阵列组织、晶格结构以及与晶体的相互作用，进一步验证了超固体的超流性特征。此研究为超固体的流体动力学特性提供了新的实验依据，并为量子晶体和中子星等领域的研究开辟了新的方向。该工作以题为“Observation of vortices in a dipolar supersolid”的论文发表在最新一期《Nature》上，
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值得注意的是，于2021年8月，Francesca Ferlaino教授领导的研究人员首次报道了通过在结构相变的两个方向上制备镝原子的超固体量子气体来证明超固体性质的二维结构扩展，该研究类似于离子链、量子线和理论上在单个偶极粒子链。该报道以“Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas”发表在《Nature》。
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研究亮点
1. 实验首次观察到超固体中的量子涡旋，验证了其超流性。
本文通过结合理论研究和实验，首次观察到超固体（SSP）中涡旋的存在，并揭示了超固体相的独特动力学行为。通过使用磁搅拌技术生成涡旋，研究人员能够探讨不同频率下超固体的响应。该实验为研究具有多重自发破缺对称性的量子系统提供了新的实验平台和方法，进一步验证了超固体的超流性特征。
2. 实验通过比较未调制的玻色–爱因斯坦凝聚体（BEC）和超固体的涡旋生成模式，发现了显著差异。
本研究通过对未调制的BEC和超固体在旋转磁场下的涡旋生成过程进行对比，实验发现两者的涡旋播种动力学存在显著不同。未调制的BEC中，随着旋转频率的增加，量子涡旋逐渐出现在云团表面并呈现明显的2π相位旋转。相比之下，超固体的涡旋生成表现出复杂的旋转和不可旋转行为的混合特性，涡旋与晶体的相互作用使得涡旋表现出独特的固定和蛇形运动等动态特征。
3. 通过扩展Gross-Pitaevskii方程，研究了超固体的涡旋动态。
本文还使用扩展Gross-Pitaevskii方程（eGPE）对超固体中的涡旋动态进行了理论研究，考虑了短程和长程相互作用的影响。通过调节短程相互作用，研究者能够精确控制超固体相和BEC相的转变，从而揭示了两种不同相态下涡旋的生成和稳定性差异。这一理论分析为进一步理解超固体在旋转下的行为提供了重要的理论依据。
图文解读
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图 1：超固体和未调制的玻色–爱因斯坦凝聚体中涡旋生成的模拟图。
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图 2：164Dy偶极超固体的磁搅拌过程。
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图 3：偶极超固体和玻色–爱因斯坦凝聚体中的涡旋生成。
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图 4：时间飞行（TOF）干涉图样。
结论展望
本文的研究为超固体状态中的涡旋现象提供了关键实验证据，并揭示了超固体中独特的涡旋行为。这一发现不仅完善了超流性在超固体中的证据框架，还为研究者提供了一个新的表征超固体的方法，即通过其对旋转的特征响应来识别该状态。这种涡旋行为的研究可能在多个物理系统中具有广泛的应用，包括固态系统、高温超导体、氦气平台甚至中子星的内核等。
研究中还揭示了超固体中的多重竞争长度尺度的相互作用，包括涡旋之间的间距、自形成晶体的波长和涡旋核心的直径等，这些竞争关系可能导致一系列独特的动力学现象，如运动受限、钉扎效应以及雪崩逃逸等。这些现象为超固体的研究提供了新的视角，并有望推动超流性、量子物理及其在多样化系统中的应用的进一步发展。此外，实验中采用的磁搅拌技术和相互作用快速变化的方式，也为研究其他量子物态提供了宝贵的实验方法，具有广泛的研究价值。
文献信息
Casotti, E., Poli, E., Klaus, L. et al. Observation of vortices in a dipolar supersolid. Nature (2024).

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