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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(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(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(le)一(yī)种(zhǒng)固(gù)体(tǐ)，而(ér)且(qiě)还(hái)制(zhì)造(zào)了(le)一(yī)种(zhǒng)量(liàng)子(zi)“超(chāo)固(gù)体(tǐ)”。

那(nà)么(me)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)是(shì)如(rú)何(hé)把(bǎ)光(guāng)变(biàn)成(chéng)超(chāo)固(gù)体(tǐ)的(de)，这(zhè)样(yàng)做(zuò)有(yǒu)些(xiē)什(shén)么(me)意(yì)义(yì)呢(ne)？我(wǒ)们(men)一(yī)起(qǐ)来(lái)了(le)解(jiě)一(yī)下(xià)。

其(qí)实(shí)，早(zǎo)在(zài)2017年(nián)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)就(jiù)发(fā)现(xiàn)了(le)光(guāng)的(de)超(chāo)流(liú)体(tǐ)现(xiàn)象(xiàng)，这(zhè)次(cì)又(yòu)发(fā)现(xiàn)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(tè)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(jù)（BEC）是(shì)一(yī)种(zhǒng)特(tè)殊(shū)的(de)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(kē)学(xué)家(jiā)采用(yòng)了(le)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(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)微腔中观察到了光(guāng)的(de)超(chāo)流(liú)体(tǐ)现(xiàn)象(xiàng)，证(zhèng)明(míng)光(guāng)子(zi)在(zài)合(hé)适(shì)的(de)环(huán)境(jìng)下(xià)确(què)实(shí)可(kě)以(yǐ)无(wú)摩(mó)擦(cā)流(liú)动(dòng)。

那(nà)么(me)，光(guāng)又(yòu)是(shì)如(rú)何(hé)变(biàn)成(chéng)超(chāo)固(gù)体(tǐ)？

何(hé)谓(wèi)超(chāo)固(gù)体(tǐ)？

超(chāo)固(gù)体(tǐ)（Supersolid）是(shì)一(yī)种(zhǒng)奇(qí)特(tè)的(de)物(wù)质(zhì)状(zhuàng)态(tài)，它(tā)既(jì)有(yǒu)超(chāo)流(liú)体(tǐ)的(de)无(wú)摩(mó)擦(cā)流(liú)动(dòng)性(xìng)，又(yòu)具(jù)有(yǒu)固(gù)体(tǐ)的(de)周(zhōu)期(qī)性(xìng)结(jié)构(gòu)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)在(zài)超(chāo)固(gù)体(tǐ)中(zhōng)，物(wù)质(zhì)的(de)某(mǒu)些(xiē)部(bù)分(fēn)可(kě)以(yǐ)自(zì)由(yóu)流(liú)动(dòng)，而(ér)整(zhěng)体(tǐ)仍(réng)然(rán)维(wéi)持(chí)固(gù)定(dìng)形(xíng)状(zhuàng)。这(zhè)种(zhǒng)状(zhuàng)态(tài)突(tū)破(pò)了(le)固(gù)体(tǐ)与(yǔ)流(liú)体(tǐ)的(de)传(chuán)统(tǒng)分(fēn)类(lèi)，展(zhǎn)示(shì)了(le)量(liàng)子(zi)物质的新奇特性。

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(běn)质(zhì)区(qū)别(bié)。

它(tā)们(men)的(de)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(de)量(liàng)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(bù)分(fēn)溶(róng)解(jiě)的(de)冰(bīng)中(zhōng)，固(gù)体(tǐ)部(bù)分(fēn)和(hé)液(yè)体(tǐ)部(bù)分(fēn)是(shì)相(xiāng)互(hù)独(dú)立(lì)的(de)，它(tā)们(men)在(zài)不(bù)同(tóng)位(wèi)置(zhì)各(gè)自(zì)存(cún)在(zài)。
• 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(tǐ)，这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)即(jí)使(shǐ)是(shì)“固(gù)体(tǐ)”的(de)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”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(xìng)质(zhì)），同(tóng)时(shí)还(hái)能(néng)像(xiàng)超(chāo)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(tǐ)：需要额外的相互作用

光子的BEC本身是均匀的，它不会自(zì)发(fā)地(de)形(xíng)成(chéng)类(lèi)似(shì)固(gù)体(tǐ)的(de)结(jié)构(gòu)。要(yào)让(ràng)它(tā)成(chéng)为(wèi)超(chāo)固(gù)体(tǐ)，科(kē)学(xué)家(jiā)需(xū)要(yào)引(yǐn)入(rù)额(é)外(wài)的(de)长(zhǎng)程(chéng)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！

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