“超固態(tài)(supersolid)”是指固體在維持周期性晶格的同時還存在超流現(xiàn)象。對于常規(guī)固體來說，這兩種性質(zhì)相互矛盾，但是在固體4He中卻可能共存——這是由于氦原子作為最小的單原子分子具有極大的零點運動，相鄰原子之間的波函數(shù)有非常大的交疊，形成宏觀量子效應(yīng)，從而可以承載超流。包括Andreev和Lifshitz、Leggett在內(nèi)的眾多著名理論物理學(xué)家都預(yù)測在4He中存在“超固態(tài)”。雖然2004年在諧振扭擺實驗中得到的疑似“超固態(tài)”實驗證據(jù)被證明是由彈性常數(shù)的反?；円穑?He中是否存在“超固態(tài)”依然是一個未解之謎，并入選Science雜志125周年遴選出的125個重大科學(xué)問題。
最近，加拿大阿爾伯塔大學(xué)John Beamish研究組在極低溫下利用壓電陶瓷器件在固體4He一端施加擠壓應(yīng)力，并測量另一端壓力變化。研究人員發(fā)現(xiàn)測量端的壓力緩慢線性上升，并最終達(dá)到飽和。壓力上升意味著質(zhì)量在應(yīng)力作用下朝另一端流動。但與正常熱激發(fā)產(chǎn)生的缺陷運動相反，該流動只在0.6 K以下產(chǎn)生，并且速率隨著溫度下降而增加，這是符合超流態(tài)的特征之一。進一步研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流動隨著3He雜質(zhì)濃度的增加而被逐漸抑制，這是符合超流態(tài)的特征之二。然而，這種質(zhì)量流動是否具有相位相關(guān)性、無損耗性等其他超流典型特征還沒有被驗證，因此其超流特性還沒有被最終確定。
3He作為比4He更輕的同位素，零點運動更加明顯。但是由于是費米子，固體3He不可能出現(xiàn)“超固態(tài)”。因此可以通過研究固體3He中質(zhì)量流動來判斷4He中是否存在“超流態(tài)”。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心固態(tài)量子信息與計算實驗室特聘研究員程智剛和加拿大阿爾伯塔大學(xué)教授John Beamish合作，利用壓電陶瓷施加擠壓應(yīng)力的方法，測量3He中的質(zhì)量流動行為。實驗表明固體3He中存在應(yīng)力作用下的質(zhì)量流動。但是與4He相反的是，質(zhì)量流動在接近熔點（0.7 K）的高溫區(qū)最為明顯，隨著溫度下降流動速率單調(diào)降低，至30 mK時已經(jīng)下降了2000多倍。研究還發(fā)現(xiàn)，在0.1 K以上流動速率對溫度的關(guān)系符合熱激發(fā)過程，而在0.1 K以下速率偏離了熱激發(fā)行為而趨于飽和，表明質(zhì)量的量子輸運行為占據(jù)主導(dǎo)。在3He中質(zhì)量流動速率與溫度的關(guān)系不符合超流特征。這一發(fā)現(xiàn)支持在4He中存在“超固態(tài)”的觀點。研究人員進而通過與微米級通道中固體3He流動速率對比，發(fā)現(xiàn)位錯線運動是大尺度固體3He中的質(zhì)量流動的主要原因。這一機制不僅適用于高溫?zé)峒ぐl(fā)區(qū)，也適用于低溫量子輸運區(qū)。
該成果首次對比了量子統(tǒng)計對量子固體中質(zhì)量輸運行為的影響，提供了支持波色量子固體中超固態(tài)存在的證據(jù)，并且揭示了費米量子固體中位錯線運動行為，加深了人們對固體氦量子效應(yīng)的理解。該成果以Mass flow through solid 3He in the bcc phase 為題發(fā)表于《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 121, 225304 (2018)）。該工作得到科技部重點研發(fā)項目（2018YFA0305604）、基金委面上項目（11874403）、中科院百人計劃、加拿大自然科學(xué)基金、松山湖材料實驗室的資助。
圖1. 在不同溫度下擠壓應(yīng)力導(dǎo)致的壓強變化。（a） T = 30 mK; (c) T = 100 mK; (d) T = 300 mK; (e) T = 700 mK.（a）中紅實線表示施加擠壓的時間；(b)和（f）分別為（a）和（e）中虛線框的放大圖。（b）中紅虛線擬合壓強隨時間線性上升的行為，得到上升速率為21 μbar/s。（f）中由于壓強在2.5秒內(nèi)已經(jīng)飽和，因此估算上升速率為46.2 mbar/s。
圖2. 壓強上升速率（即質(zhì)量流動速率）隨溫度變化的Arrhenius圖。在100 mK以上，流動速率滿足熱激發(fā)過程；在100 mK以下，流動速率趨于飽和，預(yù)示質(zhì)量輸運進入量子區(qū)域。
