科学家首次把光变成液态超固体！《自然》重磅，基础物理突破！

点击：1372  作者：徐德文    来源：今日头条  发布时间:2025-03-09 21:28:11

 

科学家首次把光变成"固体"了！3月5日，顶刊《自然》杂志发表了这一颠覆认知的惊人发现，打破了我们对物质状态的传统认知。天哪，那些每天从窗户照进来的阳光，那些让你看清世界的光线，现在被科学家变成了一种可以像固体一样存在，却又能像液体一样流动的奇特物质，我的脑洞完全不够用了！

 

但不够也只有你自己去消化，这项研究来自意大利国家研究委员会（CNR）迪米特里斯·特里波乔格斯（Dimitrios Trypogeorgos）博士领导的团队。他们成功创造了一种被称为"超固体"的奇特物质状态，而且是首次使用光来实现！

 

超固体：物理学中的"薛定谔的猫"

 

但是等等，什么是"超固体"？为什么这个发现如此重要？

 

超固体是物理学中的一个悖论式存在，就像是一个物理版"薛定谔的猫"——它同时具备两种看似矛盾的特性。你可以想象一块冰，它的分子排列整齐，固定不动；再想象一杯水，它可以自由流动。在正常情况下，一种物质不可能同时具备这两种特性。然而，超固体打破了这一常规，它既有固体的晶格结构，又能像超流体一样无摩擦地流动！

 

 

这听起来不可思议，实际上不可理喻，因为科学家们迄今还没有搞懂超固体有什么特性！

 

这个概念在50多年前就被物理学家提出，但直到最近几年，科学家才在极端条件下——通常是将原子冷却到接近绝对零度（-273.15℃）——实现了这种状态。而这次，研究人员用光做到了同样的事，这是一个革命性的突破！

 

从理论到实验：一场50年的追逐

 

故事还要从半个多世纪前说起。1969年，苏联物理学家安德烈耶夫（Andreev）和利夫希茨（Lifshitz）提出了超固体的理论概念。一年后，著名物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett）进一步发展了这一理论。然而，要把理论变为现实却困难重重。

 

几十年来，科学家们一直在寻找超固体的实验证据，但都没有确凿的成功。直到2017年，使用超冷原子的实验才首次观察到了超固体的特性。然而，这些实验需要极为极端的条件：温度接近绝对零度，设备复杂且昂贵。

 

但现在，特里波乔格斯团队找到了一条完全不同的路径——他们转向了光！

 

 

光如何变成固体？科学家的巧妙设计

 

你可能会问：光由光子组成，光子没有质量，怎么可能变成固体？

 

这正是研究团队的创新之处。他们没有直接让光变成固体，而是创造了一种混合状态的粒子，称为"极化激元"（polaritons）。这种粒子是光与半导体中电子激发态的混合体。

 

具体步骤如下：

 

1、研究人员使用了一种叫做"砷化铝镓"的半导体材料，并在上面刻上特定图案的窄脊；

2、用激光照射这块半导体，光子会与半导体中的电子相互作用，配对形成极化激元；

3、半导体上的脊状图案限制了这些粒子的运动方式和能量水平，最终，这些粒子会凝聚成超固体状态。

 

这项技术的关键在于使用了所谓的"连续态束缚态"（BiC），这是一种拥有极低损耗的特殊量子态，这让研究人员能够精确观测和测量超固体的属性。

 

 

超固体的"奇幻旅程"：既是固体又是流体

 

创造出超固体是一回事，但如何才知道创造的就是超固体，又是另外一回事。研究团队面临的最大挑战是：如何证明他们确实创造了一种同时具有固体和无摩擦流体特性的物质？

 

他们为此精确测量了极化激元的密度调制（晶体结构的标志）和相干性（超流体的标志）。他们发现密度调制的精度达到了千分之几，证明了系统确实具有固体的晶格结构。同时，通过干涉测量，他们直接访问了波函数的相位，证明了系统保持了整体相干性——超流体的特征。

研究人员认为，这项研究不仅创造了一种新的物质状态，还为我们理解量子物质如何通过相变改变状态提供了新的视角。"

 

 

超固体：未来科技的新基石？

 

虽然还没有完全理解超固体的行为和特性，但研究人员相信，与使用原子制造的超固体相比，基于光的超固体可能更容易控制和操作。

 

特里波乔格斯对未来研究前景表示乐观。他认为这种基于光的超固体可能会引领我们探索全新的物质状态，甚至在量子技术领域中找到实际应用。比如它可能成为量子计算机的基础，或者用于创造全新的传感器和通信设备。我们可能会看到利用超固体特性的量子模拟器，帮助我们解决当前计算机无法处理的复杂问题。

 

物理学的未来之光

 

科学总是在我们认为不可能的地方找到可能，把光变成超固体的成就正是这句话的最好诠释。

 

这一突破不仅挑战了我们对物质的基本认知，也为未来的量子技术开辟了新的可能性。当你下次看到阳光穿过你的窗户迷离时，也许会想到：在科学的奇妙世界里，即使是最熟悉的光，也隐藏着令人不可思议的可能性。

 

 

参考文献：

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

 

来源：徐德文今日头条号