45. 存不存在具有超流动性的固体，如果存在，为什么？
Is superfluidity possible in a solid? If so, how?

液体的超流动性发现于1937年，最早前苏联物理学家卡皮查(Kapitsa)发现，当液氦（He-4，He-4是玻色子，而He-3是费米子）的温度降到2.17K（−273.15 °C）时，普通的液氦从正常流体突然转变为没有任何粘滞性的“超流体”，这就是超流现象(Superfluidity)。超流动性液体其粘滞性消失所导致的结果是：超流体可以毫无阻力地流动，这种现象就如同超导体内的电流，超流体一旦流动就会永远流动下去而不会停止，这就是流体超流动性的直接含义。

图1 前苏联物理学家卡皮查(Kapitsa)及超流体沿器壁爬升现象

超流体的无粘滞性可以导致许多非常奇妙的现象：（1）理想超流体内如果产生涡旋，那这个涡旋将永远存在下去（不涉及涡旋的破碎和混合，如无粘滞的湍流）；（2）在超流体内运动的流线型物体的阻力几乎为零，例如在超流体中放一个薄圆盘，如果圆盘作扭转振动，则圆盘不会受到任何阻力而持续扭转振荡；（3）超流体可以沿毛细管或器壁持续爬升而自由流动，以及超流体的喷泉现象；（4）超流体具有极好的导热性，其热导率可以达到室温下铜的800多倍。

1995年超流现象在气体中也被发现，这就是以碱金属玻色气体为代表的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）。气体的超流动性需要更低的温度，实现BEC是在激光冷却技术得到有效发展之后才实现的。BEC中的超流动现象最直接的结果就是BEC气体流动中也不存在任何阻力，同样在气体中如果激发涡旋，则BEC的涡旋将具有持久的稳定性。

图2 （左）超流体的喷泉现象；（右）玻色-爱因斯坦凝聚现象

那么问题来了：在固体中这种超流现象是否也可以存在？也就是到底存不存在具有物质超流动性(mass superflow)的固体材料？

显然超流动性在气体和液体中是一个非常好理解的概念，而对于固体，因为其根本没有流动性，又如何能产生超流动性？如果我们用粘滞性来度量气体、液体和固体的流动性，那么从气体到液体再到固体其粘滞性是不断增加的，由于固体物质具有非常大的粘滞性，所以固体根本不会产生剪切方向的物质流动，因为固体的剪切力非常巨大。然而这并不能否定固体内部可以存在毫无阻力的物质流的可能性，比如在超导体中，固体晶格间可以存在毫无阻力的电子流。对于固体而言，该问题可以是：固体不同晶格间会不会存在没有任何阻力的物质的相互流动（物质流可以是某类原子或分子之间的流动，见图3左图的示意图），这种流动可以是不同晶格的原子群体毫无阻力地相互穿过而产生的相对整体流动（可以参考图4的动画去理解）；或者是晶格内相邻原子可以毫无阻力地快速交换彼此位置而产生局域流动（如图3右图的涡旋晶格所示，整体不变，但局域有流动；这也和磁相互作用中的磁阻挫现象类似，交换原子位置不会产生任何能量上的变化），而存在这种现象的固体就被称为超固体（supersolid，注意此处的超固体概念不是指高密度的超固体）。

图3 （左）整体毫无阻力相互穿过的固体晶格示意图；（右）局域流动性的固体

所以现在的问题是有没有这样的超固体存在？固体具有超流动性所导致的结果是：要么其他物质可以毫无阻力地穿过该固体（宏观的量子隧穿现象），要么这种固体具有局域流体的特性但却能够保持固体的整体形状。

图4 普通固体和超固体的转动动画示意图

显然现代物理的基本理论并没有否定超固体的存在，而且有些基于第一性原理的理论计算支持了低温下的固体He-4可以通过缺陷(defects)形成超固体态。但现在对于超固态的实验依然需要借助于低温下呈固态的He-4的超流动性来检验，而已有的实验结果并没有给出确切的超流态证据。对于气体和液体的超流动性乃至超导，物质粒子的超流动性都是在低温的环境下才能被维持或被检测到，这样苛刻的低温条件似乎在表明超流动性应该是一种宏观的量子现象，所以实验人员希望在低温固态He-4上能够检测到物质粒子流在固体内的超流动性，但目前依然缺少令人信服的实验结果。