神奇的超固体闪亮登场了

意大利科学家首次用光创造出“超固体”，不仅展示了物质在极端条件下可能表现出的奇特行为，为我们理解物质的本质提供了新的视角，还为研究超固体的动力学和多体量子物理提供了新的平台。

撰文 | 姬扬（浙江大学物理学院）

2025年3月，意大利的科学家利用光在半导体材料中创造了一种新奇的量子物质“超固体”。我们都知道固体和液体，也许还听说过超流体，但是，什么是超固体呢？它有哪些与众不同的特点呢？又是怎么被创造出来的呢？将来有什么用处吗？

固体有固定的形状和体积，液体有固定的体积但没有固定的形状。科学研究中的固体通常指的是晶体，是原子周期性排列的结果，所以晶体具有规则的形状，例如食盐或者冰糖；液体里的原子则是紧密而又随机地分布，所以它具有流动性，比如水或者松香。固体里的原子不能轻易移动，因为存在周期性排列的晶格；液体里的原子可以到处跑，但是它会感受到其他原子的阻力，也就是粘滞力，我们用手划水，就会感受到水的阻力，就是这个原因。

上面就是经典物理学对固体和液体的解释。但是量子力学的出现改变了我们的认识。大约90年前，科学家们发现，在非常低的温度下，液氦表现出非常奇特的“超流动”行为，原子在超流体内部流动感受不到任何阻力。后来人们认识到，这是因为原子不仅仅是粒子，还具有量子波的行为，在适当的条件下，量子波的尺寸超过了原子的大小，整个超流体可以用一个波函数来描述，表现出整体量子特性。简单地说，它表现得好像一个整体，内部非常团结，不再区分粒子的你我他，所以彼此交流也就没有阻碍了。

那么，这种超流动性适用于固体吗？大约50年前，理论物理学家就给出了正面的回答，也就是超固体，这是一种神奇的量子物质，同时具有晶体的周期性结构和超流体的无粘滞效应。但是，超固体的实验制备和检验非常困难。大约20年前，在精密测量固体氦的物理性质时，人们发现了一些超固体的迹象，然而，经过将近10年的辛苦工作之后，发现者自己排除了超固体的可能性。在过去的几年里，研究人员把超冷原子凝聚体（这是一种超流体）与电磁场耦合起来，在实验上模拟了超固体的行为。今天我们介绍的这项工作，则是用光照射半导体材料，在特殊设计的结构里实现了光和物质的奇妙耦合，给出了超固体存在的实验证据。

意大利的科学家用脉冲激光照射铝镓砷半导体材料制备的光子晶体波导，光子晶体波导是一种人工设计的材料，它可以让光在其中以特定的方式传播。通过精确控制光子的行为，科学家们可以让光子在这些波导中形成一种特殊的“凝聚体”，这种凝聚体具有超固体的特性。

超固体是一种具有晶体结构和超流体流动性的物质状态。过去的研究主要集中在超冷原子系统中，而新工作展示了在非平衡、驱动-耗散的极化激元系统中实现超固体的新方法。

非共振激发的光不仅在半导体里产生了电子和空穴、进而形成激子，光和激子的相互作用还产生了极化激元，光子晶体波导为极化激元提供了适当的散射机制，使得极化激元更容易实现凝聚体。当光子数量超过一定阈值时，系统里就会形成超固体，表现出空间调制的光子密度。

实验观察到了极化激元凝聚体的密度调制，表明系统打破了平移对称性，具有空间周期性，这是晶体结构的标志，说明其中的原子排列成规则的周期性晶格。通过干涉测量，他们还验证了超固体的整体相干性，这是超流体的标志，说明其中的粒子可以无摩擦地流动，即零粘度。把这两方面的结果结合起来，就得到了超固体存在的实验证据。

意大利科学家首次用光创造出“超固体”，这是令人兴奋的科学突破。它不仅展示了物质在极端条件下可能表现出的奇特行为，为我们理解物质的本质提供了新的视角，还发展了在光子系统中实现超固体的新方法，为研究超固体的动力学和多体量子物理提供了新的平台。未来的研究可以进一步探索超固体的激发谱和涡旋动力学。

至于说超固体的实际应用，现在看来还比较遥远。还要做很多进一步的研究，确认已经发现的几种超固体在各个方面都符合理论物理学家给出的预言。关于超固体及其更多的神奇特性，我们还是继续保持关注吧。谢谢大家。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品：中国科协科普部

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