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【导语】2025年3月，意大利科学家在半导体材料中利用光创造了一种新奇的量子物质——“超固体”。这一发现挑战了我们对固体和液体的传统认知。超固体，兼具晶体的周期性结构和超流体的无粘滞效应，其神秘面纱正被逐步揭开。浙江大学物理学院的姬扬(yáng)教(jiào)授(shòu)将(jiāng)为我们详细解读这一科学突破，探讨超固体的特点、创造过程及未来应用前景。

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？大家好，我是浙江大学物理学院的姬扬，今天就来讲讲这些事。

固体有固定的形状和体积，液体有固定的体积但没有固(gù)定(dìng)的(de)形(xíng)状(zhuàng)。科(kē)学(xué)研(yán)究(jiū)中(zhōng)的(de)固(gù)体(tǐ)通(tōng)常(cháng)指(zhǐ)的(de)是(shì)晶(jīng)体(tǐ)，是(shì)原(yuán)子(zi)周(zhōu)期(qī)性(xìng)排(pái)列(liè)的(de)结(jié)果(guǒ)，所(suǒ)以(yǐ)晶(jīng)体(tǐ)具(jù)有(yǒu)规(guī)则(zé)的(de)形(xíng)状(zhuàng)，例(lì)如(rú)食(shí)盐(yán)或(huò)者(zhě)冰(bīng)糖(táng)；液(yè)体(tǐ)里(lǐ)的(de)原(yuán)子(zi)则是紧密而又随机(jī)地(de)分(fēn)布(bù)，所(suǒ)以(yǐ)它(tā)具(jù)有(yǒu)流(liú)动(dòng)性(xìng)，比(bǐ)如(rú)水(shuǐ)或(huò)者(zhě)松(sōng)香(xiāng)。固(gù)体(tǐ)里(lǐ)的(de)原(yuán)子(zi)不(bù)能(néng)轻(qīng)易(yì)移(yí)动(dòng)，因(yīn)为(wèi)存(cún)在(zài)周(zhōu)期(qī)性(xìng)排(pái)列(liè)的(de)晶(jīng)格(gé)；液(yè)体(tǐ)里(lǐ)的(de)原(yuán)子(zi)可(kě)以(yǐ)到(dào)处(chù)跑(pǎo)，但(dàn)是(shì)它(tā)会(huì)感(gǎn)受(shòu)到(dào)其(qí)他(tā)原(yuán)子(zi)的(de)阻(zǔ)力，也就是粘滞力，我们用手划水，就(jiù)会(huì)感(gǎn)受(shòu)到(dào)水(shuǐ)的(de)阻(zǔ)力(lì)，就(jiù)是(shì)这(zhè)个(gè)原(yuán)因(yīn)。

上(shàng)面(miàn)就(jiù)是(shì)经(jīng)典(diǎn)物(wù)理(lǐ)学(xué)对(duì)固(gù)体(tǐ)和(hé)液(yè)体(tǐ)的(de)解(jiě)释(shì)。但(dàn)是(shì)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)的(de)出(chū)现(xiàn)改(gǎi)变(biàn)了(le)我(wǒ)们(men)的(de)认(rèn)识(shi)。大(dà)约(yuē)90年(nián)前(qián)，科(kē)学(xué)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(shì)用(yòng)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(ǒu)合(hé)，给(gěi)出(chū)了(le)超(chāo)固(gù)体(tǐ)存(cún)在(zài)的(de)实(shí)验(yàn)证(zhèng)据(jù)。

意(yì)大(dà)利(lì)的(de)科(kē)学(xué)家(jiā)用(yòng)脉(mài)冲(chōng)激(jī)光(guāng)照(zhào)射(shè)铝(lǚ)镓(jiā)砷(shēn)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)材(cái)料(liào)制(zhì)备(bèi)的(de)光(guāng)子(zi)晶(jīng)体(tǐ)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。

本文为·创作培育计划扶持作品
作者：姬扬 浙江大学物理学院(yuàn) 教(jiào)授(shòu)

审(shěn)核(hé)：左(zuǒ)玉(yù)华(huá) 中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)，研(yán)究(jiū)员(yuán)

出(chū)品(pǐn)：中国科协科普部

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