“超固態(supersolid)”是指固體在維持周期性晶格的同時還存在超流現象。對于常規固體來說，這兩種性質相互矛盾，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有非常大的交疊，形成宏觀量子效應，從而可以承載超流。包括Andreev和Lifshitz、Leggett在內的眾多著名理論物理學家都預測在4He中存在“超固態”。雖然2004年在諧振扭擺實驗中得到的疑似“超固態”實驗證據被證明是由彈性常數的反常畸變引起，但是4He中是否存在“超固態”依然是一個未解之謎，并入選Science雜志125周年遴選出的125個重大科學問題。
　　最近，加拿大阿爾伯塔大學John Beamish研究組在極低溫下利用壓電陶瓷器件在固體4He一端施加擠壓應力，并測量另一端壓力變化。研究人員發現測量端的壓力緩慢線性上升，并最終達到飽和。壓力上升意味著質量在應力作用下朝另一端流動。但與正常熱激發產生的缺陷運動相反，該流動只在0.6 K以下產生，并且速率隨著溫度下降而增加，這是符合超流態的特征之一。進一步研究發現質量流動隨著3He雜質濃度的增加而被逐漸抑制，這是符合超流態的特征之二。然而，這種質量流動是否具有相位相關性、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“超固態”。因此可以通過研究固體3He中質量流動來判斷4He中是否存在“超流態”。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態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教授John Beamish合作，利用壓電陶瓷施加擠壓應力的方法，測量3He中的質量流動行為。實驗表明固體3He中存在應力作用下的質量流動。但是與4He相反的是，質量流動在接近熔點（0.7 K）的高溫區最為明顯，隨著溫度下降流動速率單調降低，至30 mK時已經下降了2000多倍。研究還發現，在0.1 K以上流動速率對溫度的關系符合熱激發過程，而在0.1 K以下速率偏離了熱激發行為而趨于飽和，表明質量的量子輸運行為占據主導。在3He中質量流動速率與溫度的關系不符合超流特征。這一發現支持在4He中存在“超固態”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，發現位錯線運動是大尺度固體3He中的質量流動的主要原因。這一機制不僅適用于高溫熱激發區，也適用于低溫量子輸運區。
　　該成果首次對比了量子統計對量子固體中質量輸運行為的影響，提供了支持波色量子固體中超固態存在的證據，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的理解。該成果以Mass flow through solid 3He in the bcc phase 為題發表于《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、加拿大自然科學基金、松山湖材料實驗室的資助。

    圖1. 在不同溫度下擠壓應力導致的壓強變化。（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秒內已經飽和，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過程；在100 mK以下，流動速率趨于飽和，預示質量輸運進入量子區域。