三联生活周刊：我第一个问题是，你能否不使用物理学术语，只用简单的语言解释一下“超固体”这个概念？

费莱诺：我们首先要从一个非常简单的量子系统开始说起。假设这个系统是由一些粒子构成的，假设这些粒子都是原子，它们都处于非常低的温度——温度低到每个原子的量子特性开始变得非常敏感。这就意味着每个粒子都开始表现出微小的波动性。

如果进一步降低温度，这些所谓的“物质波”（matter wave），就开始变得越来越显著。到了某一个临界点时，所有这些波开始相互接触。这些由有质量的物质所形成的波开始出现干涉效应（interference）。到了一定程度之后，所有的粒子都开始相互干涉。

这就会出现一种非常特殊的现象，所有这些波似乎组织形成了一个单一的、巨大的波，这就意味着它们失去了独立性，不可能再被区分开。它们形成了一个整体，作为共同体产生了整体性的行为。

三联生活周刊：也就是说所有粒子都可以通过一个波函数来描述。

费莱诺：是的，只有一个波。所有原子都在这个波中以相同的相位振荡，从而在宏观尺度上产生了建设性的干涉效应。因此量子物理学在突然之间对于科学家来说可见了。你不再只是研究一个非常小的原子，而是有很多个原子，它们以一个共同体的形式被组织起来，遵循量子力学的规则。

一旦形成这种情况，原子与原子之间就是不可区分的了。你不再能说哪个原子在哪里，也不能再谈论单个原子，而只能谈论整体。这是一个非常重要的概念。这个新状态有很多非常特殊的性质。这些波会相互干涉，发生相互作用，这意味着它们可以彼此感知——你就可以观察到一种特殊的现象，称为超流性（superfluidity）。

在超流性状态中，所有粒子在某种程度上被共同保护。它们通过耦合作用（coupling）与外界发生耗散或是激发。这也就出现了超流性最不可思议的特性之一——粒子可以没有摩擦地进行移动。这个系统真正有趣的地方在于，无论你是从哪一种量子相系统开始（气态相、液体相或是固体相），只要把所有成分结合起来，它们都会表现出超流性现象。

在固体中出现的超流性现象，可以称之为超导体（superconducting）。在超导体中的两个电子可以形成一个电子对，类似于超流体中的分子可以在没有黏性的情况下流动，电子对也可以无阻力地运动。气体也是如此，在研究量子气体（quantum gas）时，最特别的地方在于我们可以控制每一个方面，这在超导体或是超流体研究中是无法做到的。通过量子气体，我们几乎能够实现一个理想的量子系统。在这个系统中，我们也可以设计粒子之间的相互作用。

三联生活周刊：那么超固体有什么特性？

费莱诺：超流性是一种非定域性的波动现象。所有可以描述这类系统的理论都没有考虑其中某些特殊分布的作用，只谈论波动现象的内部相位。当我们进入到了量子力学的一个新阶段，我们开始发问，如果这些超流体粒子在空间中构建出一些特殊的几何形状或模式，会发生什么？它的超流性会被破坏吗？这是一个非常有争议的问题。例如拉斯·昂萨格（Lars Onsager，美国化学家，1968年诺贝尔化学奖得主）就曾经认为，如果粒子在空间中形成某种模式，超流性就无法存在，因为有模式意味着这些粒子是定域化的，而超流性意味着所有粒子都分布在空间中。这两种特性是对立的，不能共存。

这是一种观点。但也有其他科学家——是理论学家而非实验家——认为这并不正确，量子力学允许同时存在像晶体结构的模式以及在超流体中的流动。在几十年时间里，人们并不清楚这只是一种描述极端情况的纯理论，还是真正可以构建出这种物质状态，或者它是否真正在自然界存在。

关于超固体，曾经有很多的实验尝试。实验先是从真正的固体——也就是具有真正晶体结构的固体开始，然后降低温度，让系统按我们希望的方式进行冷却，然后期待它出现超流性，然而这样的实验并不成功。（在2004年）曾经有科学家认为他们在固态氦中观测到了超固态，随后其他团队也进行了相关的研究。（如果成功）可以说这是一个诺贝尔奖级别的发现——终于观测到了超固态的存在。

后来该团队的实验结果无法被其他研究团队重复，于是在凝聚态物理界和氦研究界开始出现一些疑虑。在五六年之后，同一组科学家以更清晰的方式重新进行实验，他们终于意识到是系统缺陷导致某些现象被解读为超固体的信号。实际上，他们并没有观察到超固体。（直到那时）超固体是否真正存在的问题依然没有得到解决。

三联生活周刊：你是从什么时候开始对超固体研究感兴趣的？

费莱诺：这并不在我们的研究计划中。我们并没有有意地寻找超固体，而是偶然观察到了。我的团队利用一些具有强磁性的原子研究量子气体。我们会使用一些非常特殊的原子，比如铒（Erbium）或镝（Dysprosium）这两种原子，因为它们都具有非常大的磁矩。

想象一块真正的磁铁，比如一个冰箱贴。它在还没发生接触的情况下就会产生磁力。我们实验使用的原子具有强磁矩，在原子世界中也会发生类似的情况，在它们之间有所谓的长程相互作用。这在这个领域是一个新发现。我们当时并没有意识到，一旦加入了这种类型的相互作用，就有可能在实验中实现超固体状态。理论并没有预测到这一点。实际上，甚至有一些理论认为，这样的系统可能是不稳定的。如果达到了某些参数，整个系统可能会变得不稳定甚至崩溃。

这些理论都没有考虑到重要的一项，叫作量子波动（quantum fluctuation），它可能起到稳定系统的作用。借助这项作用，我们就能够在不让系统发生崩溃的情况下进入到超固体态；还有另外一个非常重要的条件——之前没有人意识到，量子波动这种纯粹的量子力学现象，能够在这种磁性气体中表现得如此强大、如此重要，成为一切能够稳定存在的原因，为新物质状态的产生奠定了基础。

所以说（制造出超固体）关键的因素在于，创建一个有长程相互作用的系统，利用磁性来控制相互作用的强度，然后通过量子波动的作用，系统能够自然稳定并形成新的物质状态。

三联生活周刊：能否解释一下超固体中出现的涡旋现象？（证明费莱诺研究组观测到超固体态最重要的实验证据就在于他们观测到了试验样品中出现的涡旋现象）

费莱诺：对于实验用的固体，尤其是那些晶体，我们可以直接通过眼睛看到，可以拍摄到原子在空间有序排列的照片，它们的性质也是很容易被测量的。但是对于超流体现象是很难测量的，这是一种隐藏在系统内部的非常精巧的性质。我们无论用任何方法去探测它，结果都不会是100%的清晰。

但如果我们能够观测到涡旋现象，就可以说它是系统具有超流性的证据。因此，首先要做的是让超固体旋转。一旦超固体开始旋转，最初什么都不会发生，因为它是超流性的。随后在某个时刻，它就开始出现涡旋。这时你就可以通过不同的方法来证明和记录这一点——可以通过探测、做干涉测量，或者用眼睛直接观察。

三联生活周刊：那么，为什么实现超固体状态这么困难？你在实验中最大的挑战是什么？

费莱诺：我认为最大的困难在于，许多年来，我们并不清楚要制造超固体状态需要具备哪些要素，也不清楚用以实现这些要素的最佳系统是什么。一旦这两个问题都被明确了，从第一次观察到超固体开始，研究进展就非常迅速了。

我们是在没有意识到产生出超固体的情况下就观测到了第一个超固体。事实上，在我们发表的第一篇论文中，我们给出了完全不同的解释。当时我们认为整个系统会崩溃，但系统并没有崩溃。我们当时并不理解这是为什么。之后有另外两个研究组解释了这个结果，我们才确信这就是超固体。

三联生活周刊：所以观测到超固体对你来说完全是一个惊喜？

费莱诺：我非常惊讶。在整个研究领域里我从没听过类似的事情。然后我们将团队获得的不同观测结果都放在一起进行分析，现在我们已经有了一个非常清晰的画面。

真正困难的在于观测到涡旋现象。我认为我们是目前唯一观测到了超固体涡旋现象的研究团队。你需要制造出不止在一个方向上调幅的超固体。比如你开车行驶在一条街上，这可以看作是在一个方向上的超固体。但当你到了一个广场，你就需要在两个方向上都实现超固体。此时你就需要做出调整。这也是观测到涡旋现象的必要条件。这是一种非常脆弱的状态，需要在实验室里以非常精细的方式稳定一切。

我们花费了一年时间准备，使超固体进入到二维状态——我们在《自然》期刊上发表了这个结果（2021年）。实现了这个目标之后，我们必须学会如何让系统旋转而不破坏这个状态——这就是我们第二篇发表在《自然》上关于涡旋现象的论文（2024年）。

三联生活周刊：自从第一次制造出超固体之后，你们又取得了哪些进展？

费莱诺：我们测量了超固体状态的相关性质。比如说激发态、相干性、在不同几何形状下涡旋的实现、能够改变晶体结构的间距等等，我们从中学到了很多东西。

三联生活周刊：通过制造出超固体，我们能更深入地理解自然界吗？

费莱诺：可以说超固体开启了一个先进的概念，开辟了一个新的研究领域，那就是调制超流（modulated superfluidity）的研究。我们需要理解一些新的特性。所以在某种程度上，我们正在开辟一个新的研究领域。

三联生活周刊：可以解释一下什么是调制超流吗？

费莱诺：简单来说调制超流就是一种流体，它自己在空间中创造一些晶体图案。它像是一个波，但这个波是恒定的，也是自发生成的。

三联生活周刊：通过制造出超固体能够帮助我们解答哪些问题？

费莱诺：通过制造出超固体，我们可以更好地理解量子力学的工作原理。然后我们应该问自己，超固体在自然界中存在吗？我在实验室中人工制造出了它，但它是否存在于其他地方？

我们最近开始和一个天体物理学家的团队合作。在宇宙中，有一种非常特殊的星体——中子星（neutron star）。有一些中子星旋转得非常快，向外发射辐射，这种天体叫作脉冲星（pulsar）。脉冲星非常神奇，它们可以旋转得非常快，温度非常低，并且非常致密。有一些科学家认为，在这种天体的核心区域可能存在超流体。

有很多理论认为，在中子星的核心是处于超流状态的液态中子，而星体的外部是固态的。你可以想象，星体的核心是液态超流体，外壳是固态的，那么在中间是什么呢？在它们之间是一个同时具备超流和晶体性质的状态。而这个状态，在我们的研究领域就被称为超固体。

我们可以观测到，脉冲星就像个灯塔一样一直在旋转。当我们测量它发出的光，就可以知道它的旋转速度。当它发光时会失去能量，所以旋转频率会慢慢下降。但有时会发生一种现象，脉冲星的旋转会忽然加速，然后又下降。这种旋转突然加速的现象，被称为“波动”（glitches）。

至少有六七种理论试图解释这些波动的来源。我们也不知道哪一个是正确的，因为我们无法到脉冲星去直接探测它。但有一种理论解释说，既然它在旋转，核心是超流体，那么在核心和外壳之间有超流体和晶体的混合物，也就是超固体，这可能会产生量子涡旋。然后在某个时刻，随机地，涡旋开始逃逸，随后就会发生涡旋的雪崩现象。涡旋撞击在星体表面，导致它的旋转加剧。这就像是超固体状态的逃逸，进而引发了量子波动。现在我们可以通过我们的实验和理论预测来看看这是否成立。

我们在模拟中发现，如果旋转超固体，然后慢慢减速，到了某个时刻就会发生涡旋逃逸。我们观测到了这些波动，然后简化了其中的一个模型，并展示了证据，证明中子星的内部部分是超流体和超固体。

三联生活周刊：这真是太神奇了！

费莱诺：这确实很神奇。我并不熟悉这些物理现象，因为我不是天体物理学家。我是去参加一个会议，听到一个天体物理学家的讲座，然后在咖啡休息时间，我去找他聊天。随后我们开始了合作，现在我们已经有了非常稳固的合作关系。