什么是超固體

大家可能都知道，物質(zhì)有三種常見的狀態(tài)：固體、液體和氣體。固體的特點是有固定的形狀和體積，液體的特點是有固定的體積但沒有固定的形狀，氣體的特點是沒有固定的形狀和體積。這些狀態(tài)之間可以通過溫度和壓力的變化進行轉(zhuǎn)換，比如冰可以融化成水，水可以蒸發(fā)成水蒸氣。

但是，物質(zhì)的狀態(tài)并不止這三種。在極低的溫度下，一些物質(zhì)會出現(xiàn)一種奇特的狀態(tài)，叫做超流體。超流體的特點是沒有粘滯阻力，可以無摩擦地流動，而且可以沿著容器的壁面爬升。超流體的一個典型的例子是液氦，在2.17 K以下，液氦就會變成超流體。超流體的存在是由量子力學的效應造成的，因為在極低的溫度下，物質(zhì)的波動性會占據(jù)主導地位，導致物質(zhì)的原子或分子形成一個巨大的量子態(tài)，叫做玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

那么，超固體是什么呢？超固體是一種同時具有超流性和固體性的物質(zhì)狀態(tài)。這意味著，超固體既有固定的形狀和體積，又可以無粘滯地流動。超固體的存在是一種理論的預言，但是在實驗上很難觀察到。直到最近幾年，一些實驗室才成功地制造出了超固體的候選體系，比如極冷的偶極分子氣體和光晶格中的原子氣體。這些體系的共同特點是，它們的原子或分子之間有著強烈的吸引力和排斥力，導致它們形成了一種類似于晶體的周期性結(jié)構(gòu)，叫做自組織的光晶格。這種光晶格可以在空間上移動，而且可以在旋轉(zhuǎn)時形成渦旋，表現(xiàn)出超流性。

什么是Glitches

Glitches是一種天文學上觀察到的現(xiàn)象，指的是中子星的自轉(zhuǎn)速度突然增加的事件。中子星是一種極端的天體，它們是由恒星在坍縮后形成的，質(zhì)量很大，半徑很小，密度很高，磁場很強。中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復雜，可以分為幾個層次，從外到內(nèi)依次是：固體的鐵質(zhì)外殼，液態(tài)的核物質(zhì)，超流的中子，超導的質(zhì)子，以及可能存在的夸克物質(zhì)。中子星的自轉(zhuǎn)速度通常很快，可以達到每秒幾百次，而且會隨著時間緩慢減慢，這是由于中子星向外輻射電磁波和引力波，損失了角動量的結(jié)果。但是，有時候，中子星的自轉(zhuǎn)速度會突然增加一小段，這就是Glitches。

Glitches的原因是什么呢？目前最廣泛接受的解釋是，Glitches是由于中子星內(nèi)部的超流層和固體外殼之間的相互作用造成的。由于超流層沒有粘滯阻力，它的自轉(zhuǎn)速度不會隨著時間減慢，而是保持恒定。但是，超流層中存在著許多渦旋，每個渦旋都攜帶著一定的角動量。這些渦旋會被固體外殼的不規(guī)則表面所釘住，形成一個渦旋陣列。當固體外殼的自轉(zhuǎn)速度減慢時，渦旋陣列會受到一個向外的拉力，導致渦旋的密度增加。當渦旋的密度達到一個臨界值時，渦旋就會突然從外殼上脫釘，釋放出角動量，傳遞給外殼，使得外殼的自轉(zhuǎn)速度增加。這就是Glitches的機制。

新研究

最近一篇論文的作者利用了超固體和中子星之間的類比，用數(shù)值模擬的方法研究了超固體中的Glitches現(xiàn)象。他們考慮了一種由偶極分子組成的超固體，這種超固體由許多小的液滴構(gòu)成，每個液滴都是一個玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，而液滴之間由偶極相互作用形成了一個光晶格。這種超固體可以在旋轉(zhuǎn)時形成渦旋，而且渦旋會被低密度的液滴間隙所釘住。當超固體的旋轉(zhuǎn)速度減慢時，渦旋的密度會增加，直到渦旋從液滴間隙上脫釘，導致超固體的旋轉(zhuǎn)速度突然增加，形成Glitches。

作者發(fā)現(xiàn)，超固體中的Glitches和中子星中的Glitches有很多相似之處，比如都有一個快速的自轉(zhuǎn)加速階段，和一個緩慢的自轉(zhuǎn)恢復階段。但是，超固體中的Glitches也有一些不同之處，比如它們的大小和頻率都和超固體的質(zhì)量有關(guān)，而且它們會受到超固體的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的影響。作者還發(fā)現(xiàn)，當超固體接近于普通的固體時，Glitches的效應會被抑制，這是因為渦旋的釘住和脫釘變得更加困難。作者認為，超固體中的Glitches可以用來模擬中子星中的Glitches，從而揭示中子星內(nèi)部的物理性質(zhì)。