Competing triangular and stripe supersolid orders in a dipolar quantum gas
本研究通过实验证明了二维偶极量子气体中相互竞争的三角形和条纹超固态序的形成与转变，表征了它们的临界行为，并在相干与非相干机制中同时观测到了这两种物相，从而为研究相互交织的对称性破缺现象建立了一个通用的平台。
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在宇宙最寒冷的角落，当原子减速到足以作为一个统一的整体进行活动时，自然界展现出了超越我们日常直觉的物质状态。在这些奇妙的状态中，最引人入胜的莫过于超固态（supersolids）——这是一种矛盾的相态，物质既表现得像具有刚性重复图案的固体晶体，又同时像具有零摩擦力的超流体一样流动。几十年来，物理学家一直试图创造并理解这些既结合了晶格的有序性，又具备河流流动性的奇异材料。虽然科学家们已成功在一维线状结构中制造出超固态，但二维世界承诺了一个更加丰富的可能图景，在那里，不同的晶体形状可以相互竞争并相互转化。理解这些结构的形成与相互作用不仅是出于好奇；它提供了一个纯净的实验室，用于研究不同类型的有序性如何涌现并发生冲突，这种现象是包括磁体到活性生物物质在内的许多复杂系统行为的基础。
海德堡大学的一个研究小组现在已步入了这个复杂的二维领域，通过对高度磁性的原子气体，成功创建并区分了两种相互竞争的超固态有序形式。通过精确操控原子间相互作用的强度以及其磁偶极子指向的角度，科学家们引导该气体经历了一个从均匀流体到原子自我排列成特定图案状态的转变。他们观察到气体自发地组织成了两种不同的形状：三角形液滴网格和平行条纹。至关重要的是，他们发现这些结构可以存在于两种不同的运动状态中。在某些条件下，原子在整个云团中保持着完美的、同步的节奏，在保持形状的同时无阻力地流动。在其他条件下，原子则锁定在原地，失去了流动能力，变成了一种刚性的绝缘晶体。
实验始于一团约14万个镝（dysprosium）原子组成的云，这些原子被冷却到了仅62纳开尔文的温度，在这种状态下，原子表现得像一个单一的量子波。这些原子被困在一个由激光束创造的浅层、类似冲浪板形状的容器中。为了控制这些原子，研究人员施加了一个可以倾斜且增强强度的磁场。磁场的强度决定了原子彼此排斥的程度，而倾斜角度则改变了它们磁取向的方向。通过在100毫秒的时间内缓慢调节这两个旋钮，并将系统稳定保持30毫秒，团队让气体沉降进入其新的、自我组织的形态。随后，他们拍摄了气体密度的快照，揭示了一个根据设置而剧烈变化的景观。
当磁偶极子垂直向上排列时，气体形成了三角形的液滴阵列，看起来像是由微型岛屿组成的蜂窝。随着研究人员倾斜磁场，图案开始拉伸和变形。在中间角度，系统进入了一个混沌的临界机制，原子无法决定是要形成三角形还是条纹。在这个区域，图案在每次实验之间剧烈波动，显示出两种结构秩序之间的激烈竞争。当倾斜度进一步增加时，三角形岛屿坍缩成了横跨陷阱的长平行条纹。这一转变不仅仅是视觉上的变化；研究人员开发了一种统计方法来测量图案的“有序度”，证实了气体确实正在切换于两种截然不同的结构相之间。
或许最重要的发现是这些结构在流动方面的表现。通过释放陷阱并让气体膨胀，研究人员可以观察原子是否在同步运动。在转变初期的三角形和条纹相中，原子相互干涉产生清晰、可重复的图案，证明了整个云团作为一个单一的相干流体在运动——这是一个真正的超固态。然而，随着密度调制变得更强、原子排列得更紧密，这种全局相干性便消失了。干涉图案变得杂乱且不可预测，表明原子失去了集体节奏并被困在原地，形成了绝缘晶体。这使得团队能够绘制出一张完整的相图，展示了同一种材料如何根据其排列紧密程度以及磁场倾斜角度，成为流动的超固态或刚性的绝缘体。
这些发现提供了一个通用的平台，用于探索不同类型的对称性破缺是如何交织在一起的。研究人员表明，通过简单地倾斜磁场，他们就可以在丰富的状态景观中穿梭，从均匀流体移动到三角形超固态，再到条纹超固态，最后到达绝缘晶体。三角形与条纹形状之间的转变以增强的波动为特征，这是系统在两种竞争的秩序之间挣扎的迹象。虽然这些相之间临界点的确切性质仍是进一步研究的主题，但该实验已明确证实了这些竞争性秩序的存在及其可控性。这项工作为研究二维空间中超流特性如何与晶体结构相互作用打开了大门，为理解支配复杂量子流体的基本定律提供了新的见解。
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