新型 Bose 玻璃形成的准周期景观，类似于彭罗斯镶嵌。图片来源：多体量子动力学实验室/卡文迪什实验室
剑桥卡文迪许实验室的物理学家们首次创造了一种二维版本的玻色玻璃，这是一种新颖的物质相态，挑战了传统的统计力学。该研究的详细信息已经发表在《自然》杂志上。
顾名思义，玻色玻璃具有某些玻璃性质，其中的所有粒子都是本地化的。这意味着系统中的每个粒子固定不动，不与其邻居混合。如果咖啡是本地化的，那么当搅拌牛奶入咖啡时，其复杂的黑白条纹图案将永远保留，而不是混合成平均颜色。
为了创造这种新的物质相态，研究小组重叠了几束激光以创建一种准周期图案，这种图案像传统晶体一样具有长程有序性，但并非周期性的，就像彭罗斯铺砌一样，永不重复。当将超冷原子（冷却到接近绝对零度的纳开尔文温度）填入该结构后，原子形成了玻色玻璃。
“本地化不仅是统计力学中最难破解的问题之一，而且还有助于推进量子计算，”该研究的负责人、卡文迪许实验室多体物理教授乌尔里希·施奈德说。由于本地化系统不会与其周围环境混合，存储在本地化系统中的量子信息将保留得更久。
“一个大型量子系统的一个重大限制是我们无法在计算机上对其进行建模，”施奈德说。“为了准确描述系统，我们必须考虑其所有粒子及其所有可能的配置，这个数字增长得非常快。然而，我们现在有一个可以直接研究和观察其动态和统计的二维真实例子。”
彭罗斯拼贴示例。图片来源：多体量子动力学实验室/卡文迪什实验室
施奈德团队专注于量子模拟和量子多体动力学的研究。他们利用超冷原子研究在没有大型完整量子计算机的情况下无法通过数值模拟的多体效应。
这个问题通常会显著简化，因为系统最终会放松到一个热态，其中只有系统的温度是重要的，而其他大多数细节消失。这被称为遍历性，是我们理解物质的支柱之一的统计力学的基础。
“例如，只需知道倒入的牛奶量便足以预测经过长时间搅拌后的咖啡的最终颜色，”施奈德解释道。“但如果我们想预测搅拌过中的白色和黑色涡流结构，则需要知道牛奶倒入的位置以及搅拌的具体方法。”
有趣的是，玻色玻璃似乎是非遍历性的。这意味着它不会“忘记细节”，因此建模它将需要所有细节。这使得它成为多体本地化的主要候选。
“找到一个具有多体本地化的系统或材料是一个长期的愿望，”该研究的第一作者余志群博士说。
“这种材料不仅为基础研究提供了许多新可能性，还可以用于构建量子计算机，因为存储在这种系统中的量子信息应该保持更本地化，不会泄漏到其环境中——这种过程称为‘退相干’，困扰着许多当前的量子计算平台。”
在实验中，研究人员观察到了从玻色玻璃到超流体的显著相变，这类似于随着温度升高，冰的融化。
“超流体是一种流动没有任何阻力的流体，”剑桥大学前博士后研究助理、现北京大学助理教授宋波博士说，他参与了这项研究。
“想象粒子在超流体中游动，没有摩擦，流体也不会减缓它们。这个性质，称为超流性，与超导性密切相关。与另一种量子相态莫特绝缘体一起，新观察到的玻色玻璃和超流体构成了描述相互作用和无序系统中玻色子物理的玻色-哈伯德模型的基态。”
玻色玻璃和超流体是不同的物质相态，就像冰和液态水一样。然而，就像水杯中的冰块一样，他们的系统中的原子可以在同一实验中形成这两种相态。实验结果证实了最近的理论预测，揭示了玻色玻璃的形成和演变，因此科学家们现在可以开始考虑其应用。
然而，尽管未来充满了令人兴奋的机遇，施奈德认为我们应该保持谨慎。
“关于玻色玻璃及其与多体本地化的潜在关系，还有很多我们不了解的地方，包括其热力学和动态特性。在尝试寻找应用之前，我们应该首先专注于回答更多这些问题。”施奈德总结道。（by University of Cambridge）
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