科學家如何捉住一束光，將其變成超流體和超固體？

據《中國科學報》3月7日消息，世界頂級科學期刊《自然》雜志于3月5日發(fā)布了一項研究成果，就是把光變?yōu)槌腆w！這個發(fā)現顛覆了人們的認知。要知道，在我們的日常經驗中，光是一種無形無質的能量，它以波的形式傳播，不會像液體那樣流動，也不會像固體那樣具有固定形狀。

因此，要說光是固體或者液體，許多人一定會不相信，或者會很驚異。

但發(fā)現這項成果的科學家，論文通訊作者、意大利國家研究委員會（CNR）的Dimitris Trypogeorgos做出了肯定的回答，他說：“我們實際上把光變成了固體，這非常了不起?！彼退耐耂anvitto等團隊成員，不僅用光創(chuàng)造了一種固體，而且還制造了一種量子“超固體”。

那么，科學家們是如何把光變成超固體的，這樣做有些什么意義呢？我們一起來了解一下。

其實，早在2017年，科學家們就發(fā)現了光的超流體現象，這次又發(fā)現了光的超固體現象，這些現象并非我們在日常生活中能夠得到的，而是在極端條件下得到的，這個條件就是超低溫和超真空狀態(tài)下，科學家把這種狀態(tài)稱為玻色~愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。

近年來興起的凝聚態(tài)物理，就是研究這種現象的。而發(fā)現光的超流體現象，則是凝聚態(tài)物理的重大突破之一。這個發(fā)現是在2017年，由意大利特特倫托大學（University of Trento）和法國巴黎-薩克雷大學（Université Paris-Saclay）的研究團隊首次在實驗中成功觀測到。

首先，我們來了解一下光是如何變成超流體的

何謂超流體？

超流體（Superfluid）是一種奇特的物質狀態(tài)，它可以無摩擦地流動，并且在容器中不會受到普通液體的表面張力或粘滯力的影響。最典型的超流體例子是液氦（He-4）在極低溫（約2.17K）下形成的超流態(tài)，它能夠沿著杯壁無阻力地爬升。這種現象是量子力學的一個直接體現。

但光子（光的粒子）本身沒有靜止質量，它怎么可能變成超流體呢？ 關鍵在于，光子可以在特定條件下形成一種特殊的物質狀態(tài)，稱為光子的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC），而BEC本身就是一種超流體。

超流體和普通流體都是可以流動的物質，但超流體是一種極端的量子物態(tài)，它的行為與普通流體有著本質上的不同。我們可以從多個方面來對比它們的區(qū)別：

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玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）：光變成超流體的關鍵

玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）是一種特殊的量子現象，當一群玻色子（如光子）被冷卻到接近絕對零度時，它們會進入同一個量子態(tài)，表現出宏觀量子的特性。換句話說，BEC中的粒子不再是單獨運動的個體，而是像“一個整體”一樣行為一致。

光子是玻色子，但它們沒有靜止質量，不能像普通原子那樣直接冷卻。那么是如何讓光形成BEC的呢？科學家采用了一種巧妙的方法：將光子困在一個微腔中，并讓它們與物質相互作用，從而“間接冷卻”光子，使其變得類似于超流體。

實驗步驟：

使用兩個高度反射的鏡子，構建一個光學腔這個腔體限制了光子的運動，使它們只能在一定范圍內來回反射，從而達到類似粒子氣體的行為；然后在腔內填充一種特定的染料分子，這些分子可以吸收并重新發(fā)射光子，使得光子的能量在多個吸收-再發(fā)射過程中趨于熱平衡。

降低系統溫度，并增加光子的密度由于光子在腔內不斷被重新吸收和發(fā)射，它們的整體狀態(tài)逐漸變得類似于普通的玻色子氣體。當溫度足夠低、光子數量足夠多時，它們會自發(fā)地進入相同的量子態(tài)，形成一個宏觀可見的光子BEC。

當這一過程完成后，光子不再是單個個體，而是表現得像一個“超流體”，能夠在腔體中無摩擦地流動。2010年，德國波恩大學的研究團隊首次在實驗中成功實現了光子BEC，為后來的光超流體研究奠定了基礎。隨后，2017年，意大利和法國的研究團隊在半導體微腔中觀察到了光的超流體現象，證明光子在合適的環(huán)境下確實可以無摩擦流動。

那么，光又是如何變成超固體？

何謂超固體？

超固體（Supersolid）是一種奇特的物質狀態(tài)，它既有超流體的無摩擦流動性，又具有固體的周期性結構。這意味著在超固體中，物質的某些部分可以自由流動，而整體仍然維持固定形狀。這種狀態(tài)突破了固體與流體的傳統分類，展示了量子物質的新奇特性。

有人將超固體比喻為一塊部分溶解的冰，有流體性質也有固體性質。但實際上，它們之間既有相似性又并不相同，實際上有著本質區(qū)別。

它們的相似點：流體性質 + 固體性質

• 部分溶解的冰：確實同時具有固體的結構（未融化的部分）和液體的流動性（已經融化的水）。
• 超固體：也是如此，它既有固體的周期性結構，又有超流體的無摩擦流動性，這使得它能夠同時表現出兩種物態(tài)的特性。

關鍵區(qū)別：本質上的量子效應

盡管它們在宏觀上都表現出“雙重性質”，但超固體的機制完全不同，它不是由局部的“固體”和“液體”簡單共存，而是整個系統同時是固體又是超流體，這是一種量子相干性導致的奇異現象，也就是在量子力學中所謂薛定諤的貓狀態(tài)。

• 在部分溶解的冰中，固體部分和液體部分是相互獨立的，它們在不同位置各自存在。
• 在超固體中，所有粒子都服從量子力學的疊加態(tài)，整個物質在某種意義上“同時”是固體和超流體，這意味著即使是“固體”的部分，也能夠表現出無摩擦流動。

更準確的說，超固體是帶有“波動”的固體，可以把它比喻成：

1. 一塊具有規(guī)律性波動的晶體，其中的原子（或準粒子）不僅排列成規(guī)則的結構（固體性質），同時還能像超流體那樣無摩擦流動。
2. 類似于“液態(tài)晶體”，但區(qū)別是它的流動性不是普通液體，而是超流體式的流動，沒有任何阻力。

那么，光的BEC已經是超流體了，它是如何進一步變成超固體的呢？

從光的BEC到超固體：需要額外的相互作用

光子的BEC本身是均勻的，它不會自發(fā)地形成類似固體的結構。要讓它成為超固體，科學家需要引入額外的長程相互作用，讓光子凝聚態(tài)中的粒子形成某種規(guī)則的排列（類似固體的晶格結構）。

這個目標可以通過極化激元（Polariton）來實現。

極化激元：光如何形成超固體？

極化激元（Polariton）是一種由光子和物質中的電子-空穴對耦合形成的準粒子。它既具有光子的特性（無質量、可以高速傳播），又具有物質粒子的特性（能相互作用）。科學家發(fā)現，在特定的半導體微腔中，極化激元不僅能形成BEC（超流體態(tài)），還能在合適的條件下形成空間周期性的結構（類似固體晶格），從而進入超固體狀態(tài)。

實驗方法：

使用半導體納米結構（如砷化鎵微腔）激發(fā)極化激元。研究人員用激光照射半導體材料，使光子與材料中的電子-空穴對結合，形成極化激元。

調節(jié)系統參數，誘導極化激元相互作用通過控制激光強度、微腔尺寸等參數，科學家可以使極化激元不僅凝聚（形成BEC），還形成規(guī)則的晶格結構。這樣，極化激元系統既表現出超流體特性，又擁有固體的晶格結構，形成了光的超固體。

光的超流體和超固體有什么應用前景？

這些奇特的光學態(tài)不僅在基礎物理學中具有重大意義，還至少可能在以下領域帶來突破：

1. 超低能耗光學器件：由于超流體光子可以無摩擦流動，它們可能被用于開發(fā)新型光計算機或低能耗通信設備。
2. 精密傳感器：超固體光學態(tài)可以用于構建高靈敏度傳感器，在量子測量領域提供新的工具。
3. 探索宇宙中的奇異物質：科學家推測，中子星內部可能存在超固體態(tài)，因此研究這些系統可以幫助我們理解極端宇宙環(huán)境。

因此，光在極端條件下可以變成超流體，甚至進一步形成超固體，這一發(fā)現不僅挑戰(zhàn)了我們對光的傳統認知，也為未來的量子技術和光學應用帶來了新的可能性。從“流動的光”到“固體光”，人類正在逐步揭開量子世界的神秘面紗，為未來的科技發(fā)展鋪平道路！

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