在我们熟悉的日常世界里，物质的状态变化很简单：水加热变成蒸汽（气态），冷却变成冰（固态）。但在量子世界的极低温下，规则完全被改写。比如液态氦冷却到接近绝对零度时，会变成“超流体”——一种能无摩擦流动、甚至能爬上容器壁的神奇状态。
几十年来，物理学家一直在追问：如果把这种本不该有阻力的超流体继续降温，它会怎样？是永远保持流动，还是会“冻结”成某种新形态？如今，哥伦比亚大学和得克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们首次在实验中捕捉到了这个奇异的转变过程，并发现了一种既像固体又保留超流特性的全新量子物态——他们称之为“超固体”（supersolid）。
听起来有点矛盾，对吧？固体意味着原子排列成固定晶格，纹丝不动；而超流体则代表粒子可以毫无阻碍地集体流动。一个东西怎么可能同时是“坚硬的”又是“无摩擦的”？这就像说一块冰既能保持形状，又能像水一样从杯底漏出去。但量子力学恰恰擅长制造这种看似不可能的奇迹。关键在于，这里的“固体”并非由普通原子构成，而是由一种叫“激子”（exciton）的准粒子自组织形成的。
研究团队没有用传统的液氦，而是选择了双层石墨烯——两片仅一个原子厚的碳材料叠在一起。通过施加电压，他们让一层富集电子，另一层富集带正电的“空穴”。当电子和空穴相互吸引配对，就形成了电中性的激子。再施加强磁场，这些激子会凝聚成超流体，彼此同步运动，毫无阻力。然而，当研究人员降低激子密度时，奇怪的事情发生了：超流体突然停止流动，变成了绝缘体——就像水瞬间结成了冰。更反常的是，当他们升高温度，流动性反而恢复了！这完全颠覆了常识——通常加热会让固体融化，而这里却是“加热让固体变回超流”。
这种“冷凝成固、热熔为流”的逆向相变，强烈暗示着低密度下的激子自发排列成了有序的晶格结构，即“激子固体”。但由于激子本身源自量子配对，即便在固态下，它们仍可能保留某种非局域的量子关联，从而具备超流潜力。这就是“超固体”的核心特征：内部具有晶体般的周期性秩序，同时允许部分粒子无耗散地穿行其中。
不过，目前团队还不能100%确认它就是理论预言的超固体。因为一旦变成绝缘体，常规的电输运测量就失效了——电流无法通过，也就无法直接探测是否还有“无摩擦流动”。论文通讯作者科里·迪恩教授坦言：“我们的工具在绝缘体面前‘失明’了。”但他们正在开发新的光学和磁学探针，希望能直接观测这种神秘状态中的量子流动。
这项突破的意义远不止于验证一个50年前的理论猜想。它证明了二维材料（如石墨烯）是探索极端量子现象的理想平台。相比笨重的液氦系统，激子质量极轻，理论上可在更高温度下实现超流或超固态，甚至未来有望在无需强磁场的条件下稳定存在。这意味着，这类奇特物态或许不再局限于稀有实验室，而可能走向实际应用——比如用于超低功耗的量子信息器件，或模拟复杂多体物理的新一代“量子模拟器”。
从液氦的爬墙奇迹，到石墨烯中的量子冻结，人类对物质本质的理解正不断被刷新。而这一次，科学家不仅看到了超流体“结冰”，更窥见了一个模糊却激动人心的轮廓：在那里，秩序与流动共存，矛盾统一于量子法则之下。正如一位评论者所说：“这不是终点，而是一扇通往更奇异量子世界的大门刚刚被推开。”
参考资料：“Observation of a superfluid-to-insulator transition of bilayer excitons” by Yihang Zeng, Dihao Sun, Naiyuan J. Zhang, Ron Q. Nguyen, Qianhui Shi, A. Okounkova, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Hone, C. R. Dean and J. I. A. Li, 28 January 2026, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-025-09986-w
热门跟贴