物理学家成功开发出了首个二维玻色玻璃，这是一种创新的物质状态，对传统统计力学提出了挑战。剑桥大学凯文迪什实验室的研究人员创造了首个二维玻色玻璃，这一开创性的物质状态质疑了统计力学中的既定概念。这项研究的发现已记载于《自然》期刊中。
“玻色玻璃”一词反映了其玻璃状特征，所有粒子都是局部化的。这意味着每个粒子倾向于停留在自己原位，而不是与附近的粒子混合。例如，如果咖啡被局部化，加入牛奶后将会一直保持明确的黑白条纹，而不是混合成平均颜色。
为了开发这一新的物质相，研究人员将多个激光束重叠以形成一个准周期性图案。这创建了一个结构，具有类似于典型晶体的长程有序性，但不重复，类似于彭罗斯平铺。当超冷原子被冷却至接近绝对零度（纳开尔文温度）填充该结构时，它们形成了玻色玻璃。
凯文迪什实验室的许多体物理学专家、该研究的首席研究员乌尔里希·施耐德教授表示：“局部化仍然是统计力学中最具挑战性的问题之一，但它也可能促进量子计算的进展。”在一个局部化的系统中，粒子不与环境混合，量子信息会更好地保持。
施耐德补充道：“分析大型量子系统的一个重大障碍是我们无法在计算机上模拟它们。为了精确表示系统，我们必须考虑所有粒子及其潜在的排列，这一数量迅速增加。然而，我们现在拥有一个真实的二维模型，能够直接研究其动态和统计性质。”
施耐德和他的团队专注于量子模拟和量子许多体动态，利用超冷原子探索由于缺乏大型量子计算机而无法数值模拟的许多体现象。
这个问题通常变得不那么复杂，因为系统通常会收敛到热态，在这种状态下，只有温度是重要的，而其他细节则丢失。这种状态称为遍历，构成了统计力学的基础，是理解物质的基石。“例如，知道加入牛奶的体积就足以预测长时间搅拌后咖啡的最终颜色，”施耐德解释道。“然而，为了预测搅拌过程中白色和黑色漩涡的复杂图案，准确的信息关于牛奶是如何和在哪里引入的至关重要。”
有趣的是，玻色玻璃并不表现出遍历性，这意味着它保留其特性并需要详细建模。这个特性将其定位为许多体局部化的潜在候选者。
研究的首席作者余杰钦博士表示：“发现一种表现出许多体局部化的系统或材料是一个长期目标。这些材料将为基础研究和量子计算机的发展提供许多激动人心的可能性。存储在这些系统中的量子信息很可能会保持局部化，不会泄漏到周围环境，这种现象称为‘退相干’，影响了许多当前的量子计算方法。”
在实验过程中，团队注意到玻色玻璃到超流体的显著相变，类似于冰在温度升高时融化。“超流体流动毫无阻力，”参与该研究的剑桥大学前博士后研究助理、现为北京大学助理教授的宋博博士解释道。“考虑粒子在超流体中移动；它们不会感受到任何摩擦，使它们能够顺畅滑动。这个现象被称为超流性，与超导性密切相关。与莫特绝缘体和新观察到的玻色玻璃一起，超流体是玻色-哈伯德模型中描述无序系统中玻色子相互作用和行为的基础状态之一。”
玻色玻璃和超流体是不同的物质相，类似于冰和水。然而，就像漂浮在水中的冰块一样，它们系统中的原子可以在同一实验框架内表现出这两种状态。实验结果不仅与近期的理论预测一致，而且为玻色玻璃的形成和演化提供了见解，促使研究人员开始考虑实际应用。
尽管前景乐观，施耐德呼吁采取谨慎的态度。“对于玻色玻璃及其与许多体局部化潜在关联，尤其是它们的热力学和动态特性，我们还有很多不了解的地方。在探索实际应用之前，我们应该优先解决这些问题，”施耐德总结道。
