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科學家首次把光變成液態超固體！《自然》重磅，基礎物理突破！
點擊： 作者：徐德文 來源：今日頭條 發布時間:2025-03-09 21:28:11
科學家首次把光變成"固體"了！3月5日，頂刊《自然》雜志發表了這一顛覆認知的驚人發現，打破了我們對物質狀態的傳統認知。天哪，那些每天從窗戶照進來的陽光，那些讓你看清世界的光線，現在被科學家變成了一種可以像固體一樣存在，卻又能像液體一樣流動的奇特物質，我的腦洞完全不夠用了！
但不夠也只有你自己去消化，這項研究來自意大利國家研究委員會（CNR）迪米特里斯·特里波喬格斯（Dimitrios Trypogeorgos）博士領導的團隊。他們成功創造了一種被稱為"超固體"的奇特物質狀態，而且是首次使用光來實現！
超固體：物理學中的"薛定諤的貓"
但是等等，什么是"超固體"？為什么這個發現如此重要？
超固體是物理學中的一個悖論式存在，就像是一個物理版"薛定諤的貓"——它同時具備兩種看似矛盾的特性。你可以想象一塊冰，它的分子排列整齊，固定不動；再想象一杯水，它可以自由流動。在正常情況下，一種物質不可能同時具備這兩種特性。然而，超固體打破了這一常規，它既有固體的晶格結構，又能像超流體一樣無摩擦地流動！
這聽起來不可思議，實際上不可理喻，因為科學家們迄今還沒有搞懂超固體有什么特性！
這個概念在50多年前就被物理學家提出，但直到最近幾年，科學家才在極端條件下——通常是將原子冷卻到接近絕對零度（-273.15℃）——實現了這種狀態。而這次，研究人員用光做到了同樣的事，這是一個革命性的突破！
從理論到實驗：一場50年的追逐
故事還要從半個多世紀前說起。1969年，蘇聯物理學家安德烈耶夫（Andreev）和利夫希茨（Lifshitz）提出了超固體的理論概念。一年后，著名物理學家安東尼·萊格特（Anthony Leggett）進一步發展了這一理論。然而，要把理論變為現實卻困難重重。
幾十年來，科學家們一直在尋找超固體的實驗證據，但都沒有確鑿的成功。直到2017年，使用超冷原子的實驗才首次觀察到了超固體的特性。然而，這些實驗需要極為極端的條件：溫度接近絕對零度，設備復雜且昂貴。
但現在，特里波喬格斯團隊找到了一條完全不同的路徑——他們轉向了光！
光如何變成固體？科學家的巧妙設計
你可能會問：光由光子組成，光子沒有質量，怎么可能變成固體？
這正是研究團隊的創新之處。他們沒有直接讓光變成固體，而是創造了一種混合狀態的粒子，稱為"極化激元"（polaritons）。這種粒子是光與半導體中電子激發態的混合體。
具體步驟如下：
1、研究人員使用了一種叫做"砷化鋁鎵"的半導體材料，并在上面刻上特定圖案的窄脊；
2、用激光照射這塊半導體，光子會與半導體中的電子相互作用，配對形成極化激元；
3、半導體上的脊狀圖案限制了這些粒子的運動方式和能量水平，最終，這些粒子會凝聚成超固體狀態。
這項技術的關鍵在于使用了所謂的"連續態束縛態"（BiC），這是一種擁有極低損耗的特殊量子態，這讓研究人員能夠精確觀測和測量超固體的屬性。
超固體的"奇幻旅程"：既是固體又是流體
創造出超固體是一回事，但如何才知道創造的就是超固體，又是另外一回事。研究團隊面臨的最大挑戰是：如何證明他們確實創造了一種同時具有固體和無摩擦流體特性的物質？
他們為此精確測量了極化激元的密度調制（晶體結構的標志）和相干性（超流體的標志）。他們發現密度調制的精度達到了千分之幾，證明了系統確實具有固體的晶格結構。同時，通過干涉測量，他們直接訪問了波函數的相位，證明了系統保持了整體相干性——超流體的特征。
研究人員認為，這項研究不僅創造了一種新的物質狀態，還為我們理解量子物質如何通過相變改變狀態提供了新的視角。"
超固體：未來科技的新基石？
雖然還沒有完全理解超固體的行為和特性，但研究人員相信，與使用原子制造的超固體相比，基于光的超固體可能更容易控制和操作。
特里波喬格斯對未來研究前景表示樂觀。他認為這種基于光的超固體可能會引領我們探索全新的物質狀態，甚至在量子技術領域中找到實際應用。比如它可能成為量子計算機的基礎，或者用于創造全新的傳感器和通信設備。我們可能會看到利用超固體特性的量子模擬器，幫助我們解決當前計算機無法處理的復雜問題。
物理學的未來之光
科學總是在我們認為不可能的地方找到可能，把光變成超固體的成就正是這句話的最好詮釋。
這一突破不僅挑戰了我們對物質的基本認知，也為未來的量子技術開辟了新的可能性。當你下次看到陽光穿過你的窗戶迷離時，也許會想到：在科學的奇妙世界里，即使是最熟悉的光，也隱藏著令人不可思議的可能性。
參考文獻：
1. Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M. et al. Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates. Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08616-9
2. Léonard, J., Morales, A., Zupancic, P., Donner, T. & Esslinger, T. Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry. Nature 543, 87–90 (2017). DOI: 10.1038/nature21067
來源：徐德文今日頭條號
責任編輯：向太陽
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