“超固態(tài)(supersolid)”是指固體在維持周期性晶格的同時(shí)還存在超流現(xiàn)象。對(duì)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)，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(cè)在4He中存在“超固態(tài)”。雖然2004年在諧振扭擺實(shí)驗(yàn)中得到的疑似“超固態(tài)”實(shí)驗(yàn)證據(jù)被證明是由彈性常數(shù)的反?；円?，但是4He中是否存在“超固態(tài)”依然是一個(gè)未解之謎，并入選Science雜志125周年遴選出的125個(gè)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(cè)量另一端壓力變化。研究人員發(fā)現(xiàn)測(cè)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(dòng)。但與正常熱激發(fā)產(chǎn)生的缺陷運(yùn)動(dòng)相反，該流動(dòng)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流動(dòng)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(dòng)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(yàn)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)更加明顯。但是由于是費(fèi)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(dòng)來判斷4He中是否存在“超流態(tài)”。中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心固態(tài)量子信息與計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(cè)量3He中的質(zhì)量流動(dòng)行為。實(shí)驗(yàn)表明固體3He中存在應(yīng)力作用下的質(zhì)量流動(dòng)。但是與4He相反的是，質(zhì)量流動(dòng)在接近熔點(diǎn)（0.7 K）的高溫區(qū)最為明顯，隨著溫度下降流動(dòng)速率單調(diào)降低，至30 mK時(shí)已經(jīng)下降了2000多倍。研究還發(fā)現(xiàn)，在0.1 K以上流動(dòng)速率對(duì)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(yùn)行為占據(jù)主導(dǎo)。在3He中質(zhì)量流動(dòng)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(diǎn)。研究人員進(jìn)而通過與微米級(jí)通道中固體3He流動(dòng)速率對(duì)比，發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)是大尺度固體3He中的質(zhì)量流動(dòng)的主要原因。這一機(jī)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(yùn)區(qū)。
　　該成果首次對(duì)比了量子統(tǒng)計(jì)對(duì)量子固體中質(zhì)量輸運(yùn)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(fèi)米量子固體中位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)行為，加深了人們對(duì)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(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett. 121, 225304 (2018)）。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2018YFA0305604）、基金委面上項(xiàng)目（11874403）、中科院百人計(jì)劃、加拿大自然科學(xué)基金、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的資助。

    圖1. 在不同溫度下擠壓應(yīng)力導(dǎo)致的壓強(qiáng)變化。（a） T = 30 mK; (c) T = 100 mK; (d) T = 300 mK; (e) T = 700 mK.（a）中紅實(shí)線表示施加擠壓的時(shí)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(qiáng)隨時(shí)間線性上升的行為，得到上升速率為21 μbar/s。（f）中由于壓強(qiáng)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(qiáng)上升速率（即質(zhì)量流動(dòng)速率）隨溫度變化的Arrhenius圖。在100 mK以上，流動(dòng)速率滿足熱激發(fā)過程；在100 mK以下，流動(dòng)速率趨于飽和，預(yù)示質(zhì)量輸運(yùn)進(jìn)入量子區(qū)域。