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2025-03-10 14:30:22
据《中国科学报》3月7日消息，世界顶级科学期刊《自然》杂志于3月5日发布了一项研究成果，就是把光变为超固体！这个发现颠覆(fù)了(le)人(rén)们(men)的(de)认(rèn)知(zhī)。要(yào)知(zhī)道(dào)，在(zài)我(wǒ)们(men)的(de)日(rì)常(cháng)经(jīng)验(yàn)中(zhōng)，光(guāng)是(shì)一(yī)种(zhǒng)无(wú)形(xíng)无(wú)质(zhì)的(de)能(néng)量(liàng)，它(tā)以(yǐ)波(bō)的(de)形(xíng)式(shì)传(chuán)播，不会像液体那样流动，也不会像固体那样具(jù)有(yǒu)固(gù)定(dìng)形(xíng)状(zhuàng)。
因此，要说光(guāng)是(shì)固(gù)体(tǐ)或(huò)者(zhě)液(yè)体(tǐ)，许(xǔ)多(duō)人(rén)一(yī)定(dìng)会(huì)不(bù)相(xiāng)信(xìn)，或(huò)者(zhě)会(huì)很(hěn)惊(jīng)异(yì)。
但(dàn)发(fā)现(xiàn)这(zhè)项(xiàng)成(chéng)果(guǒ)的(de)科(kē)学(xué)家(jiā)，论(lùn)文通(tōng)讯(xùn)作(zuò)者(zhě)、意(yì)大(dà)利(lì)国(guó)家(jiā)研(yán)究(jiū)委(wěi)员(yuán)会(huì)（CNR）的(de)Dimitris Trypogeorgos做(zuò)出(chū)了(le)肯(kěn)定(dìng)的(de)回(huí)答(dá)，他(tā)说(shuō)：“我(wǒ)们(men)实(shí)际(jì)上(shàng)把(bǎ)光(guāng)变(biàn)成(chéng)了(le)固(gù)体，这非常了不起。”他和他的同事Sanvitto等团队成员，不仅用光创造了一种固体，而且还制造了一种量子“超固体”。
那么，科学家们是如何把光变成超固体的，这样做有些什么意义呢？我们一起来了解一下。
其实，早在2017年，科(kē)学(xué)家们就发现了光的超流体现象，这次又发现了光的超固体现象，这些现象并非我们在日常生活中能够得到的，而是在极端条件下得到的，这个条件就是超低温和超真空状态下，科学家把这种状态称为玻色~爱因斯坦凝聚态（BEC）。
近年来兴起的凝聚态物理，就是研究这种现象的。而发现光的超流体现象，则是凝聚态物理的重大突破之一。这个发现是在2017年，由意大利特特伦托大学（University of Trento）和法国巴黎-萨克雷大学（Université Paris-Saclay）的研究团队首次在实验中成功观测到。
首先，我们来了解一下光是如何变成超流体的
何谓超流体？
超流体（Superfluid）是一种奇特的物质状态，它可以无摩擦地流动，并且在容器中不会受到普通液体的表面张力或粘滞力的影响。最典型的超流体例子是液氦（He-4）在极低(dī)温(wēn)（约(yuē)2.17K）下(xià)形(xíng)成(chéng)的(de)超(chāo)流(liú)态(tài)，它(tā)能(néng)够沿着杯壁无阻力地爬升。这种现象是量子力学的一个直接体现。
但光子（光的粒子）本身没有静止质量，它怎么可能变成超流体呢？ 关键在于，光子可以在特定条件下形成一种特殊的物质状态，称为光子的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），而BEC本身就是一种超流体。
超流体和普通流体都是可以流动的物质，但超流体是一种极端的量子物态，它的行为与普通流体有着本质上的不同。我们可以从多个方面来对比它们的区别：
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玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）：光变成超流体的关键
玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是一种特殊的量子现象，当一群玻色子（如光子）被冷却到接近绝对零度时，它们会进入同一个量子态，表现出宏观量子的特性。换句话说，BEC中的粒子不再是单独运动的个体，而是像“一个整体”一样行为一致。
光子是玻色子，但(dàn)它(tā)们(men)没(méi)有(yǒu)静(jìng)止(zhǐ)质(zhì)量(liàng)，不(bù)能像普通原子那样直接冷却(què)。那(nà)么(me)是(shì)如(rú)何让光形成BEC的呢？科学家采用了一种巧妙的方法：将光子困在一个微腔中，并让它们与物质相互作用，从而“间接冷却”光子，使其变得类似于超流体。
实验步骤：
使用两个高度反射的镜子，构建一个光学腔这个腔体限制了光子的运动，使它们只能在一定范围内来回反射，从而达到类似粒子气体的行为；然后在腔内填充一种特定的染料分子，这些分子可以吸收并重新发射光子，使得光子的能量在多个吸收-再发射过程中趋于热平衡。
降低系统温度，并增加光子的密度由于光子在腔内不断被重新吸收和发射，它们的整体状态逐渐变得类似于普通的玻色子气体。当温度足够低、光子数量足够多时，它们会自发地进入相同的量子态，形成一个宏观可见的光子BEC。
当这一(yī)过(guò)程(chéng)完(wán)成(chéng)后(hòu)，光(guāng)子(zi)不(bù)再是单个个体，而是表现得像一个“超流体”，能够在腔体中无摩擦地流动。2010年，德国波恩大学的研究团队首次在实验中成功实现了光子BEC，为后来的光超流体研究奠定了基础。随后，2017年，意大利和法国的研究团队在半导体微腔中观察到了光的超流体现象，证明光子在合适的环境下确实可以无摩擦流动。
那么，光又是如何变成超固体？
何谓超固体？
超固体（Supersolid）是一种奇特的物质状态，它既有超流体的无摩擦流动性，又具有固体的周期性结构。这意味着在超固体中，物质的某些部分可以自由流动，而整体仍然维持固定形状。这种状态突破了固体与流体的传(chuán)统(tǒng)分(fēn)类(lèi)，展(zhǎn)示(shì)了(le)量(liàng)子(zi)物(wù)质(zhì)的(de)新(xīn)奇(qí)特(tè)性(xìng)。
有(yǒu)人(rén)将(jiāng)超(chāo)固(gù)体(tǐ)比(bǐ)喻(yù)为(wèi)一(yī)块(kuài)部(bù)分(fēn)溶(róng)解(jiě)的(de)冰(bīng)，有(yǒu)流(liú)体(tǐ)性(xìng)质(zhì)也(yě)有(yǒu)固(gù)体(tǐ)性(xìng)质(zhì)。但(dàn)实(shí)际(jì)上(shàng)，它(tā)们(men)之(zhī)间(jiān)既(jì)有(yǒu)相(xiāng)似(shì)性(xìng)又(yòu)并(bìng)不(bù)相(xiāng)同(tóng)，实(shí)际(jì)上(shàng)有(yǒu)着(zhe)本质区别。
它们的相似点：流体性质 + 固体性质
关键区(qū)别(bié)：本(běn)质(zhì)上(shàng)的(de)量(liàng)子(zi)效(xiào)应(yīng)
尽(jǐn)管(guǎn)它(tā)们(men)在(zài)宏(hóng)观(guān)上(shàng)都(dōu)表(biǎo)现(xiàn)出(chū)“双(shuāng)重(zhòng)性(xìng)质(zhì)”，但(dàn)超(chāo)固(gù)体(tǐ)的(de)机(jī)制(zhì)完(wán)全不(bù)同(tóng)，它(tā)不(bù)是(shì)由(yóu)局(jú)部(bù)的(de)“固(gù)体(tǐ)”和“液体”简单共存，而是整个系统同时是固体又是超流体，这是一种量子相干性导致的奇异现象，也就是在量子力学中所谓薛定谔的猫状态。
更准确的说，超固体是带有“波动”的固体，可以把它比喻成：
那么，光的BEC已经是超流体了，它是如何进一步变成超固体的呢？
从光的BEC到超固体：需要额外的相互作用
光子的BEC本身是均匀的，它不会自发地形成类似固体的结构。要让它成为超固体，科学家需要引入额外的长程相互作用，让光子凝聚态中的粒子形成某种规则的排列（类似固体的晶格结构）。
这个目标可以通过极化激元（Polariton）来实现。
极化激元：光如何形成超固体？
极化激元（Polariton）是一种由光子和物质中的电子-空穴对耦合形成的准粒子。它既具有光子的特性（无质量、可以高速传播），又具有物质粒子的特性（能相互作用）。科学家发现，在特定的半导体微腔中，极化激元不仅能形成BEC（超流体态），还能在合适的条件下形成空间周期性的结构（类似固体晶格），从而进入超固体状态。
实验方法：
使用半导体纳米结构（如砷化镓微腔）激发极化激元。研究人员用激光照射半导体材料，使光子与材料中的电子-空穴对结合，形成极化激元。
调节系统参数，诱导极化激元相互作用通过控制激光强度、微腔尺寸等参数，科学家可以使极化激元不仅凝聚（形成BEC），还形成规则的晶格结构。这样，极化激元系统既表现出超流体特性，又拥有固体的晶格结构，形成了光的超固体。
光的超流体和超固体有什么应用前景？
这些奇特的光学态不仅在基础物理学中具有重大意义，还至少可能在以下领域带来突破：
因此，光在极端条件下可以变成超流体，甚至进一步形成超固体，这一发现不仅挑战了我们对光的传统认知，也为未来的量子技术和光学应用带来了新的可能性。从“流动的光”到“固体光”，人类正在逐步揭开量子世界的神秘面纱，为未来的科技发展铺平道路！
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