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意大利科學(xué)家首次用光創(chuàng)造出“超固體”，不僅展示了物質(zhì)在極端條件下可能表現(xiàn)出的奇特行為，為我們理解物質(zhì)的本質(zhì)提供了新的視角，還為研究超固體的動力學(xué)和多體量子物理提供了新的平臺。

撰文 | 姬揚（浙江大學(xué)物理學(xué)院）

2025年3月，意大利的科學(xué)家利用光在半導(dǎo)體材料中創(chuàng)造了一種新奇的量子物質(zhì)“超固體”。我們都知道固體和液體，也許還聽說過超流體，但是，什么是超固體呢？它有哪些與眾不同的特點呢？又是怎么被創(chuàng)造出來的呢？將來有什么用處嗎？

固體有固定的形狀和體積，液體有固定的體積但沒有固定的形狀。科學(xué)研究中的固體通常指的是晶體，是原子周期性排列的結(jié)果，所以晶體具有規(guī)則的形狀，例如食鹽或者冰糖；液體里的原子則是緊密而又隨機(jī)地分布，所以它具有流動性，比如水或者松香。固體里的原子不能輕易移動，因為存在周期性排列的晶格；液體里的原子可以到處跑，但是它會感受到其他原子的阻力，也就是粘滯力，我們用手劃水，就會感受到水的阻力，就是這個原因。

上面就是經(jīng)典物理學(xué)對固體和液體的解釋。但是量子力學(xué)的出現(xiàn)改變了我們的認(rèn)識。大約90年前，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在非常低的溫度下，液氦表現(xiàn)出非常奇特的“超流動”行為，原子在超流體內(nèi)部流動感受不到任何阻力。后來人們認(rèn)識到，這是因為原子不僅僅是粒子，還具有量子波的行為，在適當(dāng)?shù)臈l件下，量子波的尺寸超過了原子的大小，整個超流體可以用一個波函數(shù)來描述，表現(xiàn)出整體量子特性。簡單地說，它表現(xiàn)得好像一個整體，內(nèi)部非常團(tuán)結(jié)，不再區(qū)分粒子的你我他，所以彼此交流也就沒有阻礙了。

那么，這種超流動性適用于固體嗎？大約50年前，理論物理學(xué)家就給出了正面的回答，也就是超固體，這是一種神奇的量子物質(zhì)，同時具有晶體的周期性結(jié)構(gòu)和超流體的無粘滯效應(yīng)。但是，超固體的實驗制備和檢驗非常困難。大約20年前，在精密測量固體氦的物理性質(zhì)時，人們發(fā)現(xiàn)了一些超固體的跡象，然而，經(jīng)過將近10年的辛苦工作之后，發(fā)現(xiàn)者自己排除了超固體的可能性。在過去的幾年里，研究人員把超冷原子凝聚體（這是一種超流體）與電磁場耦合起來，在實驗上模擬了超固體的行為。今天我們介紹的這項工作，則是用光照射半導(dǎo)體材料，在特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)里實現(xiàn)了光和物質(zhì)的奇妙耦合，給出了超固體存在的實驗證據(jù)。

意大利的科學(xué)家用脈沖激光照射鋁鎵砷半導(dǎo)體材料制備的光子晶體波導(dǎo)，光子晶體波導(dǎo)是一種人工設(shè)計的材料，它可以讓光在其中以特定的方式傳播。通過精確控制光子的行為，科學(xué)家們可以讓光子在這些波導(dǎo)中形成一種特殊的“凝聚體”，這種凝聚體具有超固體的特性。

超固體是一種具有晶體結(jié)構(gòu)和超流體流動性的物質(zhì)狀態(tài)。過去的研究主要集中在超冷原子系統(tǒng)中，而新工作展示了在非平衡、驅(qū)動-耗散的極化激元系統(tǒng)中實現(xiàn)超固體的新方法。

非共振激發(fā)的光不僅在半導(dǎo)體里產(chǎn)生了電子和空穴、進(jìn)而形成激子，光和激子的相互作用還產(chǎn)生了極化激元，光子晶體波導(dǎo)為極化激元提供了適當(dāng)?shù)纳⑸錂C(jī)制，使得極化激元更容易實現(xiàn)凝聚體。當(dāng)光子數(shù)量超過一定閾值時，系統(tǒng)里就會形成超固體，表現(xiàn)出空間調(diào)制的光子密度。

實驗觀察到了極化激元凝聚體的密度調(diào)制，表明系統(tǒng)打破了平移對稱性，具有空間周期性，這是晶體結(jié)構(gòu)的標(biāo)志，說明其中的原子排列成規(guī)則的周期性晶格。通過干涉測量，他們還驗證了超固體的整體相干性，這是超流體的標(biāo)志，說明其中的粒子可以無摩擦地流動，即零粘度。把這兩方面的結(jié)果結(jié)合起來，就得到了超固體存在的實驗證據(jù)。

意大利科學(xué)家首次用光創(chuàng)造出“超固體”，這是令人興奮的科學(xué)突破。它不僅展示了物質(zhì)在極端條件下可能表現(xiàn)出的奇特行為，為我們理解物質(zhì)的本質(zhì)提供了新的視角，還發(fā)展了在光子系統(tǒng)中實現(xiàn)超固體的新方法，為研究超固體的動力學(xué)和多體量子物理提供了新的平臺。未來的研究可以進(jìn)一步探索超固體的激發(fā)譜和渦旋動力學(xué)。

至于說超固體的實際應(yīng)用，現(xiàn)在看來還比較遙遠(yuǎn)。還要做很多進(jìn)一步的研究，確認(rèn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的幾種超固體在各個方面都符合理論物理學(xué)家給出的預(yù)言。關(guān)于超固體及其更多的神奇特性，我們還是繼續(xù)保持關(guān)注吧。謝謝大家。