超流體“結(jié)冰”了！你絕對(duì)想不到的量子現(xiàn)象！

在我們熟悉的日常世界里，物質(zhì)的狀態(tài)變化很簡(jiǎn)單：水加熱變成蒸汽（氣態(tài)），冷卻變成冰（固態(tài)）。但在量子世界的極低溫下，規(guī)則完全被改寫。比如液態(tài)氦冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，會(huì)變成“超流體”——一種能無摩擦流動(dòng)、甚至能爬上容器壁的神奇狀態(tài)。

幾十年來，物理學(xué)家一直在追問：如果把這種本不該有阻力的超流體繼續(xù)降溫，它會(huì)怎樣？是永遠(yuǎn)保持流動(dòng)，還是會(huì)“凍結(jié)”成某種新形態(tài)？如今，哥倫比亞大學(xué)和得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家們首次在實(shí)驗(yàn)中捕捉到了這個(gè)奇異的轉(zhuǎn)變過程，并發(fā)現(xiàn)了一種既像固體又保留超流特性的全新量子物態(tài)——他們稱之為“超固體”（supersolid）。

聽起來有點(diǎn)矛盾，對(duì)吧？固體意味著原子排列成固定晶格，紋絲不動(dòng)；而超流體則代表粒子可以毫無阻礙地集體流動(dòng)。一個(gè)東西怎么可能同時(shí)是“堅(jiān)硬的”又是“無摩擦的”？這就像說一塊冰既能保持形狀，又能像水一樣從杯底漏出去。但量子力學(xué)恰恰擅長(zhǎng)制造這種看似不可能的奇跡。關(guān)鍵在于，這里的“固體”并非由普通原子構(gòu)成，而是由一種叫“激子”（exciton）的準(zhǔn)粒子自組織形成的。

研究團(tuán)隊(duì)沒有用傳統(tǒng)的液氦，而是選擇了雙層石墨烯——兩片僅一個(gè)原子厚的碳材料疊在一起。通過施加電壓，他們讓一層富集電子，另一層富集帶正電的“空穴”。當(dāng)電子和空穴相互吸引配對(duì)，就形成了電中性的激子。再施加強(qiáng)磁場(chǎng)，這些激子會(huì)凝聚成超流體，彼此同步運(yùn)動(dòng)，毫無阻力。然而，當(dāng)研究人員降低激子密度時(shí)，奇怪的事情發(fā)生了：超流體突然停止流動(dòng)，變成了絕緣體——就像水瞬間結(jié)成了冰。更反常的是，當(dāng)他們升高溫度，流動(dòng)性反而恢復(fù)了！這完全顛覆了常識(shí)——通常加熱會(huì)讓固體融化，而這里卻是“加熱讓固體變回超流”。

這種“冷凝成固、熱熔為流”的逆向相變，強(qiáng)烈暗示著低密度下的激子自發(fā)排列成了有序的晶格結(jié)構(gòu)，即“激子固體”。但由于激子本身源自量子配對(duì)，即便在固態(tài)下，它們?nèi)钥赡鼙Ａ裟撤N非局域的量子關(guān)聯(lián)，從而具備超流潛力。這就是“超固體”的核心特征：內(nèi)部具有晶體般的周期性秩序，同時(shí)允許部分粒子無耗散地穿行其中。

不過，目前團(tuán)隊(duì)還不能100%確認(rèn)它就是理論預(yù)言的超固體。因?yàn)橐坏┳兂山^緣體，常規(guī)的電輸運(yùn)測(cè)量就失效了——電流無法通過，也就無法直接探測(cè)是否還有“無摩擦流動(dòng)”。論文通訊作者科里·迪恩教授坦言：“我們的工具在絕緣體面前‘失明’了。”但他們正在開發(fā)新的光學(xué)和磁學(xué)探針，希望能直接觀測(cè)這種神秘狀態(tài)中的量子流動(dòng)。

這項(xiàng)突破的意義遠(yuǎn)不止于驗(yàn)證一個(gè)50年前的理論猜想。它證明了二維材料（如石墨烯）是探索極端量子現(xiàn)象的理想平臺(tái)。相比笨重的液氦系統(tǒng)，激子質(zhì)量極輕，理論上可在更高溫度下實(shí)現(xiàn)超流或超固態(tài)，甚至未來有望在無需強(qiáng)磁場(chǎng)的條件下穩(wěn)定存在。這意味著，這類奇特物態(tài)或許不再局限于稀有實(shí)驗(yàn)室，而可能走向?qū)嶋H應(yīng)用——比如用于超低功耗的量子信息器件，或模擬復(fù)雜多體物理的新一代“量子模擬器”。

從液氦的爬墻奇跡，到石墨烯中的量子凍結(jié)，人類對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的理解正不斷被刷新。而這一次，科學(xué)家不僅看到了超流體“結(jié)冰”，更窺見了一個(gè)模糊卻激動(dòng)人心的輪廓：在那里，秩序與流動(dòng)共存，矛盾統(tǒng)一于量子法則之下。正如一位評(píng)論者所說：“這不是終點(diǎn)，而是一扇通往更奇異量子世界的大門剛剛被推開。”

參考資料：“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