“虽然超固体是刚性的，但它也可以像液体一样流动，没有阻力。”第一作者Sara Conti博士(安特卫普大学)。
固体能成为超流体吗?双层激子形成量子超固体
澳大利亚和欧洲物理学家的一项合作预测，分层的电子2D半导体可以容纳一种被称为超固体的奇怪的量子物质相。
超固体确实是一个非常违反直觉的阶段。它由同时形成刚性晶体的粒子组成，但同时没有摩擦，因为所有的粒子都属于同一个量子态。
当一种固体的量子特性与众所周知的超导体的量子特性相匹配时，它就成为了“超级”。超固体同时有两级，固体级和超固体级:
- 固体由于粒子在空间上的重复模式，
- 超级因为粒子可以在没有阻力的情况下流动。
“虽然超固体是刚性的，但它可以像液体一样流动，没有阻力，”主要作者萨拉·康蒂博士(安特卫普大学)解释说。
这项研究是在新南威尔士大学(澳大利亚)、安特卫普大学(比利时)和卡梅里诺大学(意大利)进行的。
五十年的奇异超固体之旅
康奈尔大学教授杰弗里·切斯特(Geoffrey Chester)在1970年预测，固体氦-4在压力下在低温下应该表现为:
- 晶体固体顺序，每个氦原子都在一个规则有序的晶格中的特定点上，同时，
- 原子的玻色-爱因斯坦凝聚，每个原子都处于相同的单量子态，所以它们流动时没有阻力。
然而，在接下来的50年里，切斯特超固体并没有被明确地探测到。
形成超固体样态的替代方法已经报道了光学晶格冷原子系统中的超固体样相。这些要么是凝析油簇，要么是由捕集几何形状决定的不同密度的凝析油。这些超固体相应该与最初的切斯特超固体相区别开来，在切斯特超固体中，每个单个粒子纯粹是由粒子之间的力作用在晶格中的位置上。
超固体可以设计成由绝缘屏障隔开的两个导电层组成的结构。上层掺杂带负电荷的电子，下层掺杂带正电荷的空穴。层间激子(电子和空穴的结合对)形成超固体。
澳大利亚-欧洲的新研究预测，这种状态可以在半导体结构中的二维(2D)电子材料中设计，由两个导电层制成，由厚度的绝缘屏障隔开d．
其中一层掺杂了带负电荷的电子，另一层掺杂了带正电荷的空穴。
形成超固体的粒子是层间的激子即电子和空穴的束缚态，由它们强大的电吸引力捆绑在一起。绝缘势垒防止激子束缚对的快速自湮灭。施加在顶部和底部金属“门”上的电压调节平均分离r0激子之间。
研究小组预测，这种结构中的激子将在大范围的层分离和激子之间的平均分离上形成超固体。激子之间的电斥力可以将它们约束在一个固定的晶体晶格中。
“一个关键的新奇之处是，具有玻色-爱因斯坦量子相干性的超固体相出现在层分离时，比预测的由激子之间相同的电斥力驱动的非超级激子固体的分离要小得多，”共同通信作者大卫·尼尔森教授(安特卫普大学)说。
”这样，超固体就抢占了非超激子固体。在更大的分离下，非超级固体激子最终获胜，量子相干性崩溃。”
“这是一种非常强大的状态，在实验设置中很容易实现，”联合通讯作者亚历克斯·汉密尔顿教授(新南威尔士大学)补充道。“具有讽刺意味的是，在这样的系统中，层分离相对较大，并且比极小的层分离更容易制造，而这些系统是最近旨在最大化层间激子结合能的实验的焦点。”
至于检测，对于超流体，众所周知，它不能旋转，直到它能容纳一个量子漩涡，类似于漩涡。但是形成这个漩涡需要有限的能量，因此需要足够强的旋转力。所以到目前为止，测量到的转动惯量(物体抵抗旋转加速度的程度)将保持为零。以同样的方式，超固体可以通过检测其转动惯量的异常来识别。
“相图的三重点特别有趣。分离这些域的奇异界面应该会产生令人兴奋的物理现象。”系统相位图将状态映射到层分离(da / b)和激子密度(r0，激子之间的平均分离)。
研究小组报告了该体系在低温下的完整相图。
Sara Conti博士说:“通过改变相对于平均激子间距的层分离，激子-激子相互作用的强度可以调节，以稳定超流体、超固体或普通固体。”
“三重点的存在也特别有趣。在这一点上，超固体和普通固体熔化的边界，以及超固体到普通固体的过渡，都是交叉的。分离这些域的奇异界面应该会产生令人兴奋的物理现象，例如，在正常背景中嵌入的超固体水坑之间的约瑟夫森隧道。”
这项研究
双层半导体异质结构中空间间接激子的Chester超固体发表在《物理评论快报》上。(DOI 10.1103 / physrevlett.130.057001)
除了澳大利亚研究委员会，这项工作还得到了佛兰德斯研究基金会(ffo - vl)的支持。
更多的信息
- 联系Alex Hamilton教授(新南威尔士大学)Alexander Hamiltonalex.hamilton@unsw.edu.au
- 联系大卫·尼尔森教授(安特卫普大学)david.neilson@uantwerpen.be
- 看论文说明作者:Sara Conti(安特卫普大学)
- 访问大卫·尼尔森的安特卫普大学的研究小组
- 访问亚历克斯·汉密尔顿的新南威尔士大学量子电子设备组
共同通讯作者David Neilson教授(安特卫普大学)是FLEET合作伙伴研究员。
共同通讯作者Alex Hamilton教授(新南威尔士大学悉尼分校)是FLEET的副主任兼首席研究员。