「可以穿越的牆面」背後物理學，科學家首度製造出二維超固體

近年來，越來越多奇異物質狀態從實驗室中製造出來，其中一種稱為「超固體（Supersolid）」，在這種狀態下所有原子都像固體一樣排列在晶格結構，但同時又能自由流動，若在科幻小說中，大概就是你可以穿過一面看似固體的牆。之前，科學家只在一個維度中實現超固體，現在物理學家首次在實驗室製造出二維超固體量子氣體。

超固體（Supersolid）聽起來可能會讓你直覺以為是超級堅硬的固體，實際上並非如此，這是一種所有分子（或原子、原子對）處於低溫玻色–愛因斯坦凝態（Bose–Einstein condensate，BEC）的物質狀態，和超流體（Superfluid）很相似，同樣具有許多神奇特性，例如所有分子都表現得像同一個分子，熵為零、黏度為零、無摩擦力且能像液體一樣流動，但同時又維持晶格結構。

該物質狀態最早由理論物理學家尤金·格羅斯於 1957 年首次預測，他提出在接近絕對零度的溫度時，固態氦-4 晶體中的空位將會凝結，轉變成和超流體一樣的零黏度狀態，但它看起來仍是固體。

2004 年，美國賓州州立大學科學家陳鴻渭宣布發現了超固體，他將固氦冷凍到極低溫、並使其在不同速度下振盪，結果發現粒子表現出無摩擦流動現象，就像發生在液氦的超流體現象，雖然後續調查發現實驗似乎出錯了，但研究人員仍繼續努力觀察固態氦的超固體相。

2017 年，兩個獨立研究團隊——蘇黎世聯邦理工學院與麻省理工學院，各自宣布觀察到原子氣體玻色-愛因斯坦凝聚態的超固體現象；到了 2019 年，奧地利因斯布魯克大學 Francesca Ferlaino 團隊首度證明了一維超固體存在，高磁性原子的 BEC 態可以在外加磁場中自發形成有序團簇，顯現出各向同性（isotropic）超流體狀態的超固體，為理論預測打開了新一條測試道路。

不過在一維超固體中，原子只能沿一個方向流動，現在，由德國漢諾威大學理論物理學家 Luis Santos 與因斯布魯克大學 Russell Bisset 領導的團隊，利用雷射將鏑-164（已知最具磁性的元素）原子冷卻至接近絕對零度的溫度並轉變為玻色-愛因斯坦凝聚態。

由於鏑-164 的高磁性，當它轉變為超流體後還會排列成液滴（droplet）像磁鐵一樣相互吸黏，而新實驗中，研究人員製造出排列成鋸齒形的液滴結構，成功將超固體誘導成二維結構。

雖然我們還不確定科學家是否有辦法製造出更大的二維超固體，更別提超固體狀態存在於極低溫度下，但這項實驗已是一大創舉，將幫助科學家破解奇怪物質相背後更深層次的物理學，比如研究渦流如何在幾個相鄰液滴之間的孔形成。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。