科学惊奇：捉住一束光，竟能让其变成超流体和超固体？

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！这个发现颠覆了人们的认知。要知道，在我们的日常经验中，光是一种无形无质的能量，它以波的形式传播，不会像液体那样流动，也不会像固体那样具有固定形状。

因此，要说光是固体或者液体，许多人一定会不相信，或者会很惊异。

但发现这项成果的科学家，论文通讯作者、意大利国家研究委员会（CNR）的Dimitris Trypogeorgos做出了肯定的回答，他说：“我们实际上把光变成了固体，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，科学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）在极低温（约2.17K）下形成的超流态，它能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：

粘性（摩擦力）：普通流体具有粘性，流动时会受到内摩擦阻力；超流体无粘性（零粘度），可以无摩擦流动。

旋涡（湍流）：普通流体速度变化时会形成涡流；超流体不会形成普通涡流，但可能出现量子化涡旋。

流动方式：普通流体遵循经典流体力学；超流体受量子力学支配，具有奇异的量子特性。

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，但它们没有静止质量，不能像普通原子那样直接冷却。那么是如何让光形成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。

当这一过程完成后，光子不再是单个个体，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统分类，展示了量子物质的新奇特性。

有人将超固体比喻为一块部分溶解的冰，有流体性质也有固体性质。但实际上，它们之间既有相似性又并不相同，实际上有着本质区别。

它们的相似点：流体性质 + 固体性质

• 部分溶解的冰：确实同时具有固体的结构（未融化的部分）和液体的流动性（已经融化的水）。
• 超固体：也是如此，它既有固体的周期性结构，又有超流体的无摩擦流动性，这使得它能够同时表现出两种物态的特性。

关键区别：本质上的量子效应

尽管它们在宏观上都表现出“双重性质”，但超固体的机制完全不同，它不是由局部的“固体”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。

• 在部分溶解的冰中，固体部分和液体部分是相互独立的，它们在不同位置各自存在。
• 在超固体中，所有粒子都服从量子力学的叠加态，整个物质在某种意义上“同时”是固体和超流体，这意味着即使是“固体”的部分，也能够表现出无摩擦流动。

更准确的说，超固体是带有“波动”的固体，可以把它比喻成：

1. 一块具有规律性波动的晶体，其中的原子（或准粒子）不仅排列成规则的结构（固体性质），同时还能像超流体那样无摩擦流动。
2. 类似于“液态晶体”，但区别是它的流动性不是普通液体，而是超流体式的流动，没有任何阻力。

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：

1. 超低能耗光学器件：由于超流体光子可以无摩擦流动，它们可能被用于开发新型光计算机或低能耗通信设备。
2. 精密传感器：超固体光学态可以用于构建高灵敏度传感器，在量子测量领域提供新的工具。
3. 探索宇宙中的奇异物质：科学家推测，中子星内部可能存在超固体态，因此研究这些系统可以帮助我们理解极端宇宙环境。

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！

注：本文图片只为增加视觉效果，不一定与文章内容相关。

时空通讯原创文章，请尊重作者版权，感谢阅读。