科學(xué)家如何捉住一束光，將其變成超流體和超固體？

據(jù)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》3月7日消息，世界頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》雜志于3月5日發(fā)布了一項(xiàng)研究成果，就是把光變?yōu)槌腆w！這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了人們的認(rèn)知。要知道，在我們的日常經(jīng)驗(yàn)中，光是一種無(wú)形無(wú)質(zhì)的能量，它以波的形式傳播，不會(huì)像液體那樣流動(dòng)，也不會(huì)像固體那樣具有固定形狀。

因此，要說(shuō)光是固體或者液體，許多人一定會(huì)不相信，或者會(huì)很驚異。

但發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)成果的科學(xué)家，論文通訊作者、意大利國(guó)家研究委員會(huì)（CNR）的Dimitris Trypogeorgos做出了肯定的回答，他說(shuō)：“我們實(shí)際上把光變成了固體，這非常了不起。”他和他的同事Sanvitto等團(tuán)隊(duì)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(xué)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(lái)了解一下。

其實(shí)，早在2017年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了光的超流體現(xiàn)象，這次又發(fā)現(xiàn)了光的超固體現(xiàn)象，這些現(xiàn)象并非我們?cè)谌粘Ｉ钪心軌虻玫降模窃跇O端條件下得到的，這個(gè)條件就是超低溫和超真空狀態(tài)下，科學(xué)家把這種狀態(tài)稱為玻色~愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）。

近年來(lái)興起的凝聚態(tài)物理，就是研究這種現(xiàn)象的。而發(fā)現(xiàn)光的超流體現(xiàn)象，則是凝聚態(tài)物理的重大突破之一。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是在2017年，由意大利特特倫托大學(xué)（University of Trento）和法國(guó)巴黎-薩克雷大學(xué)（Université Paris-Saclay）的研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中成功觀測(cè)到。

首先，我們來(lái)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(zhì)狀態(tài)，它可以無(wú)摩擦地流動(dòng)，并且在容器中不會(huì)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(wú)阻力地爬升。這種現(xiàn)象是量子力學(xué)的一個(gè)直接體現(xiàn)。

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

超流體和普通流體都是可以流動(dòng)的物質(zhì)，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(zhì)上的不同。我們可以從多個(gè)方面來(lái)對(duì)比它們的區(qū)別：

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玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）：光變成超流體的關(guān)鍵

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）是一種特殊的量子現(xiàn)象，當(dāng)一群玻色子（如光子）被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，它們會(huì)進(jìn)入同一個(gè)量子態(tài)，表現(xiàn)出宏觀量子的特性。換句話說(shuō)，BEC中的粒子不再是單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的個(gè)體，而是像“一個(gè)整體”一樣行為一致。

光子是玻色子，但它們沒(méi)有靜止質(zhì)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(xué)家采用了一種巧妙的方法：將光子困在一個(gè)微腔中，并讓它們與物質(zhì)相互作用，從而“間接冷卻”光子，使其變得類似于超流體。

實(shí)驗(yàn)步驟：

使用兩個(gè)高度反射的鏡子，構(gòu)建一個(gè)光學(xué)腔這個(gè)腔體限制了光子的運(yùn)動(dòng)，使它們只能在一定范圍內(nèi)來(lái)回反射，從而達(dá)到類似粒子氣體的行為；然后在腔內(nèi)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(gè)吸收-再發(fā)射過(guò)程中趨于熱平衡。

降低系統(tǒng)溫度，并增加光子的密度由于光子在腔內(nèi)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(dāng)溫度足夠低、光子數(shù)量足夠多時(shí)，它們會(huì)自發(fā)地進(jìn)入相同的量子態(tài)，形成一個(gè)宏觀可見(jiàn)的光子BEC。

當(dāng)這一過(guò)程完成后，光子不再是單個(gè)個(gè)體，而是表現(xiàn)得像一個(gè)“超流體”，能夠在腔體中無(wú)摩擦地流動(dòng)。2010年，德國(guó)波恩大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了光子BEC，為后來(lái)的光超流體研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，2017年，意大利和法國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體微腔中觀察到了光的超流體現(xiàn)象，證明光子在合適的環(huán)境下確實(shí)可以無(wú)摩擦流動(dòng)。

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(zhì)狀態(tài)，它既有超流體的無(wú)摩擦流動(dòng)性，又具有固體的周期性結(jié)構(gòu)。這意味著在超固體中，物質(zhì)的某些部分可以自由流動(dòng)，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(tǒng)分類，展示了量子物質(zhì)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(zhì)也有固體性質(zhì)。但實(shí)際上，它們之間既有相似性又并不相同，實(shí)際上有著本質(zhì)區(qū)別。

它們的相似點(diǎn)：流體性質(zhì) + 固體性質(zhì)

• 部分溶解的冰：確實(shí)同時(shí)具有固體的結(jié)構(gòu)（未融化的部分）和液體的流動(dòng)性（已經(jīng)融化的水）。
• 超固體：也是如此，它既有固體的周期性結(jié)構(gòu)，又有超流體的無(wú)摩擦流動(dòng)性，這使得它能夠同時(shí)表現(xiàn)出兩種物態(tài)的特性。

關(guān)鍵區(qū)別：本質(zhì)上的量子效應(yīng)

盡管它們?cè)诤暧^上都表現(xiàn)出“雙重性質(zhì)”，但超固體的機(jī)制完全不同，它不是由局部的“固體”和“液體”簡(jiǎn)單共存，而是整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)是固體又是超流體，這是一種量子相干性導(dǎo)致的奇異現(xiàn)象，也就是在量子力學(xué)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(dú)立的，它們?cè)诓煌恢酶髯源嬖凇?/li>
• 在超固體中，所有粒子都服從量子力學(xué)的疊加態(tài)，整個(gè)物質(zhì)在某種意義上“同時(shí)”是固體和超流體，這意味著即使是“固體”的部分，也能夠表現(xiàn)出無(wú)摩擦流動(dòng)。

更準(zhǔn)確的說(shuō)，超固體是帶有“波動(dòng)”的固體，可以把它比喻成：

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

那么，光的BEC已經(jīng)是超流體了，它是如何進(jìn)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(huì)自發(fā)地形成類似固體的結(jié)構(gòu)。要讓它成為超固體，科學(xué)家需要引入額外的長(zhǎng)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(jié)構(gòu)）。

這個(gè)目標(biāo)可以通過(guò)極化激元（Polariton）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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(zhì)中的電子-空穴對(duì)耦合形成的準(zhǔn)粒子。它既具有光子的特性（無(wú)質(zhì)量、可以高速傳播），又具有物質(zhì)粒子的特性（能相互作用）?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在特定的半導(dǎo)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(jié)構(gòu)（類似固體晶格），從而進(jìn)入超固體狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)方法：

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

調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，誘導(dǎo)極化激元相互作用通過(guò)控制激光強(qiáng)度、微腔尺寸等參數(shù)，科學(xué)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(jié)構(gòu)。這樣，極化激元系統(tǒng)既表現(xiàn)出超流體特性，又擁有固體的晶格結(jié)構(gòu)，形成了光的超固體。

光的超流體和超固體有什么應(yīng)用前景？

這些奇特的光學(xué)態(tài)不僅在基礎(chǔ)物理學(xué)中具有重大意義，還至少可能在以下領(lǐng)域帶來(lái)突破：

1. 超低能耗光學(xué)器件：由于超流體光子可以無(wú)摩擦流動(dòng)，它們可能被用于開(kāi)發(fā)新型光計(jì)算機(jī)或低能耗通信設(shè)備。
2. 精密傳感器：超固體光學(xué)態(tài)可以用于構(gòu)建高靈敏度傳感器，在量子測(cè)量領(lǐng)域提供新的工具。
3. 探索宇宙中的奇異物質(zhì)：科學(xué)家推測(cè)，中子星內(nèi)部可能存在超固體態(tài)，因此研究這些系統(tǒng)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(jìn)一步形成超固體，這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)光的傳統(tǒng)認(rèn)知，也為未來(lái)的量子技術(shù)和光學(xué)應(yīng)用帶來(lái)了新的可能性。從“流動(dòng)的光”到“固體光”，人類正在逐步揭開(kāi)量子世界的神秘面紗，為未來(lái)的科技發(fā)展鋪平道路！

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