Bose玻璃(Bose Glass),新型物质状态

Bose玻璃(Bose Glass)是一种理论上的物质相,出现在受到无序作用的相互作用玻色子系统中。它的特点是没有超流性,也没有长程有序状态,但保留了局部无序的状态。Bose玻璃相与超流相不同,在超流相中,玻色子表现出相干性并且无阻力流动;它也不同于Mott绝缘体,相较于强相互作用下的玻色子局域化,Bose玻璃是由于无序引起的局域化。

Bose玻璃的研究来源于印度理论物理学家萨蒂恩德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)在量子力学早期发展时期的贡献。这种新形式的二维物质是剑桥大学的科学家们发现的,并且在《自然》杂志上发表。Bose玻璃以玻色的名字命名,类似于Bose-Einstein凝聚态,这种新相态具有类似玻璃的性质,同时粒子在此相态中是局部化的。

Bose玻璃有如下关键特征:

  1. 无序引起的局域化:与超流体不同,Bose玻璃中的无序阻止了玻色子通过系统进行相干运动。然而,玻色子并不是完全静止的,它们仍然可以表现出局部的动态行为。
  2. 无能隙:Bose玻璃相没有能隙,这意味着总是可能存在低能激发。这与Mott绝缘体不同,后者具有粒子-空穴激发的有限能隙。
  3. 有限压缩率:Bose玻璃相具有有限的压缩率,这意味着当系统受到外场(如压力或化学势)作用时,系统的密度会发生变化。这与Mott绝缘体的不压缩性不同。
  4. 相变:Bose玻璃相可以通过减弱无序或增强粒子间的相互作用,转变为超流相。这种相变通常通过调节温度或相互作用强度等外部参数来实现。

Bose玻璃特性的其他表述:

  • 粒子局部化:在Bose玻璃相态中,粒子“粘附”于自身,不与附近的原子发生相互作用。为了形象化这一概念,研究人员将这种现象比作在咖啡中倒入牛奶,而牛奶和咖啡并没有混合,形成了一种永远持续的黑白漩涡状态(即局部化),而不是通常的褐色混合。
  • 非遍历性(Non-Ergodicity):Bose玻璃是非遍历的,即它不会遗忘其历史,所有具体的初始条件对系统的后续状态都有影响。研究人员通过倒牛奶的例子解释了这个概念,指出要预测漩涡的形态,必须知道牛奶倒入的位置和搅拌的具体方式。

为了制造这种二维Bose玻璃,研究人员使用了交叠的激光束形成非重复的图案,类似于彭罗斯拼图,并像传统晶体一样有序地排列。然后,研究人员在这种结构中填充超冷原子。这个二维结构使得物理学家能够以更简单的方式研究Bose玻璃的行为。

Bose玻璃可能为研究多体局部化(many-body localization)提供帮助,这是一种对量子计算至关重要的现象。多体局部化材料有助于量子计算机克服退相干问题,信息能够更本地化地存储,而不会泄露到环境中。不过,科学家们表示,目前对Bose玻璃的了解还非常有限,距离应用还需要大量基础研究。

这项研究为Bose玻璃及其在量子计算领域的潜在应用铺平了道路。虽然现在预测这种新相态的具体应用为时尚早,但它为物理学中的许多基础研究开辟了新的可能性,尤其是在开发抗退相干的量子计算机系统方面。


参考文档:A New 2D State of Matter Could Propel Physics Forward

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