科技日報記者 張佳欣
據最新一期《自然》雜志報道，美國哥倫比亞大學與得克薩斯大學奧斯汀分校的聯合研究團隊，首次在雙層石墨烯體系中觀察到了由超流體向疑似超固體轉變的相變過程。這一發現填補了凝聚態物理領域半個世紀以來的實驗空白，標志著人類在操縱高溫量子物態方面邁出了關鍵一步。
普通物質隨溫度下降會經歷“氣—液—固”的轉變，而量子物質的行為卻不同。20世紀初，研究人員發現氦氣冷卻后會從普通氣體轉變為“超流體”，可無能量損耗流動。長期以來，物理學界一直在追問：當超流體進一步冷卻，會出現怎樣的新量子態？
一種可能是，超流體在極低溫度下形成兼具固體和液體特性的量子態，被稱為超固體。超固體既有晶格結構，又可像液體一樣流動。盡管理論早有預測，但在天然物質中尚未明確觀測到超流體向超固體的自發轉變。此前的實驗，多依賴激光等手段在人工構建的周期性勢阱中模擬該狀態。
此次研究采用雙層石墨烯作為實驗平臺，通過調控兩層石墨烯中的電子與空穴分布，可形成名為“激子”的準粒子。在強磁場作用下，這些激子能夠凝聚成超流體。實驗發現，當激子密度較高時，體系呈現典型的超流行為。但隨著密度降低，激子運動被抑制，體系轉而表現為絕緣體。進一步升高溫度后，超流特性再次出現。
超流體通常被視為低溫下的穩定基態，而此次觀測到的低溫絕緣相在升溫后“融化”為超流體，這種反常行為此前從未在相關體系中出現，暗示該低溫相可能是一種非常規的激子固體。
該研究表明，二維材料可為探索超流體、超固體等量子相態提供了新的可能。與傳統體系相比，激子的有效質量更輕，有望在更高溫度下形成相關量子態。同時，這一成果還豐富了凝聚態物理研究內容，為人類理解和操縱復雜量子物態提供了新的實驗途徑。
