科学家如何捉住一束光，将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(shì)一(yī)种(zhǒng)无(wú)形(xíng)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(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(tǐ)，这(zhè)非(fēi)常(cháng)了(le)不(bù)起(qǐ)。”他(tā)和(hé)他(tā)的(de)同(tóng)事(shì)Sanvitto等(děng)团(tuán)队(duì)成(chéng)员(yuán)，不(bù)仅(jǐn)用(yòng)光(guāng)创(chuàng)造(zào)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(zhè)种(zhǒng)现(xiàn)象(xiàng)的(de)。而(ér)发(fā)现(xiàn)光(guāng)的(de)超(chāo)流(liú)体(tǐ)现(xiàn)象(xiàng)，则(zé)是(shì)凝(níng)聚(jù)态(tài)物(wù)理(lǐ)的(de)重(zhòng)大(dà)突(tū)破(pò)之(zhī)一(yī)。这(zhè)个(gè)发(fā)现(xiàn)是(shì)在(zài)2017年(nián)，由(yóu)意(yì)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：
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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(lì)子(zi)不(bù)再(zài)是(shì)单独运动的个体，而是像“一个整(zhěng)体(tǐ)”一(yī)样(yàng)行(xíng)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(cóng)而(ér)达(dá)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(dù)由(yóu)于(yú)光(guāng)子(zi)在(zài)腔(qiāng)内(nèi)不(bù)断(duàn)被(bèi)重(zhòng)新(xīn)吸(xī)收(shōu)和(hé)发(fā)射(shè)，它(tā)们(men)的(de)整(zhěng)体(tǐ)状(zhuàng)态(tài)逐(zhú)渐(jiàn)变(biàn)得(de)类(lèi)似(shì)于(yú)普(pǔ)通(tōng)的(de)玻(bō)色(sè)子(zi)气(qì)体(tǐ)。当(dāng)温(wēn)度(dù)足(zú)够(gòu)低(dī)、光(guāng)子(zi)数(shù)量(liàng)足(zú)够(gòu)多(duō)时(shí)，它(tā)们(men)会(huì)自(zì)发(fā)地(de)进(jìn)入(rù)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(réng)然(rán)维(wéi)持(chí)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(tā)们(men)的(de)相(xiāng)似(shì)点(diǎn)：流(liú)体(tǐ)性(xìng)质(zhì) + 固(gù)体(tǐ)性(xìng)质(zhì)
- 部(bù)分(fēn)溶(róng)解(jiě)的(de)冰(bīng)：确(què)实(shí)同(tóng)时(shí)具有固体(tǐ)的(de)结(jié)构(gòu)（未(wèi)融(róng)化(huà)的(de)部(bù)分(fēn)）和(hé)液(yè)体(tǐ)的(de)流(liú)动(dòng)性(xìng)（已(yǐ)经(jīng)融(róng)化(huà)的(de)水(shuǐ)）。
- 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(suǒ)谓(wèi)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(hù)独(dú)立(lì)的，它们在不同位置各自存在。
- 在(zài)超(chāo)固(gù)体(tǐ)中(zhōng)，所(suǒ)有(yǒu)粒(lì)子(zi)都(dōu)服(fú)从(cóng)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)的(de)叠(dié)加(jiā)态(tài)，整(zhěng)个(gè)物(wù)质(zhì)在(zài)某(mǒu)种(zhǒng)意(yì)义(yì)上(shàng)“同(tóng)时(shí)”是(shì)固(gù)体(tǐ)和(hé)超(chāo)流(liú)体，这意味着即使是“固体”的部(bù)分(fēn)，也(yě)能(néng)够(gòu)表(biǎo)现(xiàn)出(chū)无(wú)摩(mó)擦(cā)流(liú)动(dòng)。
更(gèng)准(zhǔn)确(què)的(de)说(shuō)，超(chāo)固(gù)体(tǐ)是(shì)带(dài)有(yǒu)“波(bō)动(dòng)”的(de)固(gù)体(tǐ)，可以把它比喻成：
- 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。
- 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(lái)实(shí)现(xiàn)。
极(jí)化(huà)激(jī)元(yuán)：光(guāng)如(rú)何(hé)形(xíng)成(chéng)超(chāo)固(gù)体(tǐ)？
极(jí)化(huà)激(jī)元(yuán)（Polariton）是(shì)一(yī)种(zhǒng)由(yóu)光(guāng)子(zi)和(hé)物(wù)质(zhì)中(zhōng)的(de)电(diàn)子(zi)-空(kōng)穴(xué)对(duì)耦(ǒu)合(hé)形(xíng)成(chéng)的(de)准(zhǔn)粒(lì)子(zi)。它(tā)既(jì)具(jù)有(yǒu)光(guāng)子(zi)的(de)特(tè)性(xìng)（无(wú)质(zhì)量(liàng)、可(kě)以(yǐ)高(gāo)速(sù)传(chuán)播(bō)），又(yòu)具(jù)有(yǒu)物(wù)质(zhì)粒(lì)子(zi)的(de)特(tè)性(xìng)（能(néng)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)）。科(kē)学(xué)家(jiā)发(fā)现(xiàn)，在(zài)特(tè)定(dìng)的(de)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)微(wēi)腔(qiāng)中(zhōng)，极(jí)化(huà)激(jī)元(yuán)不(bù)仅(jǐn)能(néng)形(xíng)成(chéng)BEC（超(chāo)流(liú)体(tǐ)态(tài)），还(hái)能(néng)在(zài)合(hé)适(shì)的(de)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)形(xíng)成(chéng)空(kōng)间(jiān)周(zhōu)期(qī)性(xìng)的(de)结(jié)构(gòu)（类(lèi)似(shì)固(gù)体(tǐ)晶(jīng)格(gé)），从(cóng)而(ér)进(jìn)入(rù)超(chāo)固(gù)体(tǐ)状(zhuàng)态(tài)。
实(shí)验(yàn)方(fāng)法(fǎ)：
使(shǐ)用(yòng)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)纳(nà)米结构（如砷化镓微腔）激发极化激元。研究人员用激光照(zhào)射(shè)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)材(cái)料(liào)，使(shǐ)光(guāng)子(zi)与(yǔ)材(cái)料(liào)中(zhōng)的(de)电(diàn)子(zi)-空(kōng)穴(xué)对(duì)结(jié)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：
- 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。
- 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。
- 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(tǐ)，这(zhè)一(yī)发(fā)现(xiàn)不(bù)仅(jǐn)挑(tiāo)战(zhàn)了(le)我(wǒ)们(men)对(duì)光(guāng)的(de)传(chuán)统(tǒng)认(rèn)知(zhī)，也(yě)为(wèi)未(wèi)来(lái)的(de)量(liàng)子(zi)技(jì)术(shù)和(hé)光(guāng)学(xué)应(yīng)用(yòng)带(dài)来(lái)了(le)新(xīn)的(de)可(kě)能(néng)性(xìng)。从(cóng)“流(liú)动(dòng)的(de)光(guāng)”到(dào)“固(gù)体(tǐ)光(guāng)”，人(rén)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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