20世纪以来，物理学界不断发现新的奇异物质态：液态氦在极低温下出现无摩擦流动，被称为超流体；部分材料在特定外部条件下可无阻力导电，被称为超导体。1960年代，科学家提出“超固体”概念，即物质在保持晶体周期性空间有序结构的同时，还能像超流体一样无摩擦流动。

尽管超固体早在数十年前就被预测，但其兼具“晶体”与“超流体”两类特征的实验实现与验证长期面临挑战，不同实验平台上这些性质如何呈现也仍存在疑问。

据ICFO介绍，该机构研究人员Craig Chisholm、Sarah Hirthe、Vasiliy Makhalov、Ramon Ramos和Rémy Vatré在ICREA教授Leticia Tarruell带领下，与巴塞罗那自治大学（UAB）理论物理学家Josep Cabedo及Alessio Celi合作，在超冷钾原子与光耦合体系中明确证明了超固体的形成，并首次对所谓“自旋轨道耦合超固体”实现直接成像。相关结果已发表在《Science》。

研究团队在实验中观察到，钾原子云会自发形成条纹结构（类晶体图案），且条纹间距随时间发生振荡，表现为条纹周期性靠近与远离。研究人员同时记录到，当整体原子云尺寸膨胀或收缩时，会出现新条纹或既有条纹消失的现象，并将其与体系的超流体性质联系起来。

Tarruell表示，晶体结构并非完全静止，原子会围绕其位置发生轻微振动并改变间距；研究团队在该体系中观测到的条纹间距振荡，被视为超固体应具备的特征之一。

为获得上述图像，研究人员首先将钾原子云冷却至接近绝对零度，使原子运动显著减缓并形成玻色-爱因斯坦凝聚态。随后，研究人员从不同方向发射两束激光，将原子的自旋态与动量耦合，形成自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚体。在该状态下，两种不同动量的原子态发生干涉，从而在原子云中产生条纹图案并形成超固体。

研究团队指出，此前超固体研究多集中于磁性量子气体，而自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体平台相对缺乏探索。围绕该平台能否形成“真正的超固体”，学界曾存在争议，原因之一在于早期实验多依赖间接证据推断晶体图案的出现。Hirthe表示，团队希望获得的是条纹结构的直接图像。

研究人员还提到，钾原子有助于增强条纹对比度，使得条纹动力学能够被直接观测；在更早使用其他原子种类的实验中，条纹对比度较低，难以清晰成像。

在理论解释方面，研究团队与UAB理论组合作，采用一种被称为“混合模型”的方法，将原子云描述为干涉的改性原子混合体，以解释实验中观测到的条纹结构及其动力学行为。

ICFO团队表示，下一步将基于现有结果探索更进一步的实验尝试，包括设想中的“超固体液体”物质相：由纯量子效应稳定的液滴构成，并在液滴内部包含晶体结构。研究人员强调，就当前成果而言，直接成像已为该领域提供关键观测证据，揭示了条纹结构的动力学，并展示其同时呈现超流体与晶体行为的特征。