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

撰文 | 姬揚（浙江大學物理學院）

2025年3月，意大利的科學家利用光在半導體材料中創造了一種新奇的量子物質“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。科學研究中的固體通常指的是晶體，是原子周期性排列的結果，所以晶體具有規則的形狀，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。

上面就是經典物理學對固體和液體的解釋。但是量子力學的出現改變了我們的認識。大約90年前，科學家們發現，在非常低的溫度下，液氦表現出非常奇特的“超流動”行為，原子在超流體內部流動感受不到任何阻力。后來人們認識到，這是因為原子不僅僅是粒子，還具有量子波的行為，在適當的條件下，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來描述，表現出整體量子特性。簡單地說，它表現得好像一個整體，內部非常團結，不再區分粒子的你我他，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，同時具有晶體的周期性結構和超流體的無粘滯效應。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時，人們發現了一些超固體的跡象，然而，經過將近10年的辛苦工作之后，發現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，則是用光照射半導體材料，在特殊設計的結構里實現了光和物質的奇妙耦合，給出了超固體存在的實驗證據。

意大利的科學家用脈沖激光照射鋁鎵砷半導體材料制備的光子晶體波導，光子晶體波導是一種人工設計的材料，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，科學家們可以讓光子在這些波導中形成一種特殊的“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構和超流體流動性的物質狀態。過去的研究主要集中在超冷原子系統中，而新工作展示了在非平衡、驅動-耗散的極化激元系統中實現超固體的新方法。

非共振激發的光不僅在半導體里產生了電子和空穴、進而形成激子，光和激子的相互作用還產生了極化激元，光子晶體波導為極化激元提供了適當的散射機制，使得極化激元更容易實現凝聚體。當光子數量超過一定閾值時，系統里就會形成超固體，表現出空間調制的光子密度。

實驗觀察到了極化激元凝聚體的密度調制，表明系統打破了平移對稱性，具有空間周期性，這是晶體結構的標志，說明其中的原子排列成規則的周期性晶格。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。把這兩方面的結果結合起來，就得到了超固體存在的實驗證據。

意大利科學家首次用光創造出“超固體”，這是令人興奮的科學突破。它不僅展示了物質在極端條件下可能表現出的奇特行為，為我們理解物質的本質提供了新的視角，還發展了在光子系統中實現超固體的新方法，為研究超固體的動力學和多體量子物理提供了新的平臺。未來的研究可以進一步探索超固體的激發譜和渦旋動力學。

至于說超固體的實際應用，現在看來還比較遙遠。還要做很多進一步的研究，確認已經發現的幾種超固體在各個方面都符合理論物理學家給出的預言。關于超固體及其更多的神奇特性，我們還是繼續保持關注吧。謝謝大家。

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