科学家如何将飞快的光捉住让其乖乖变成超流体和超固体?
日期:2026-07-30 04:41:45 作者:admin 阅读
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据《中国科学报》3月7日消息,世界顶级科学期刊《自然》杂志于3月5日发布了一项研究成果,就是把光变为超固体!这个发现颠覆了人们的认知。要知道,在我们的日常经验中,光是一种无形无质的能量,它以波的形式传播,不会像液体那样流动,也不会像固体那样具有固定形状。
但发现这项成果的科学家,论文通讯作者、意大利国家研究委员会(CNR)的Dimitris Trypogeorgos做出了肯定的回答,他说:“我们实际上把光变成了固体,这非常了不起。”他和他的同事Sanvitto等团队成员,不仅用光创造了一种固体,而且还制造了一种量子“超固体”。
那么,科学家们是如何把光变成超固体的,这样做有些什么意义呢?我们一起来了解一下。
其实,早在2017年,科学家们就发现了光的超流体现象,这次又发现了光的超固体现象,这些现象并非我们在日常生活中能够得到的,而是在极端条件下得到的,这个条件就是超低温和超真空状态下,科学家把这种状态称为玻色~爱因斯坦凝聚态(BEC)。
近年来兴起的凝聚态物理,就是研究这种现象的。而发现光的超流体现象,则是凝聚态物理的重大突破之一。这个发现是在2017年,由意大利特特伦托大学(University of Trento)和法国巴黎-萨克雷大学(Université Paris-Saclay)的研究团队首次在实验中成功观测到。
超流体(Superfluid)是一种奇特的物质状态,它可以无摩擦地流动,并且在容器中不会受到普通液体的表面张力或粘滞力的影响。最典型的超流体例子是液氦(He-4)在极低温(约2.17K)下形成的超流态,它能够沿着杯壁无阻力地爬升。这种现象是量子力学的一个直接体球盟会官网入口现。
但光子(光的粒子)本身没有静止质量,它怎么可能变成超流体呢? 关键在于,光子可以在特定条件下形成一种特殊的物质状态,称为光子的玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),而BEC本身就是一种超流体。
超流体和普通流体都是可以流动的物质,但超流体是一种极端的量子物态,它的行为与普通流体有着本质上的不同。我们可以从多个方面来对比它们的区别:
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是一种特殊的量子现象,当一群玻色子(如光子)被冷却到接近绝对零度时,它们会进入同一个量子态,表现出宏观量子的特性。换句话说,BEC中的粒子不再是单独运动的个体,而是像“一个整体”一样行为一致。
光子是玻色子,但它们没有静止质量,不能像普通原子那样直接冷却。那么是如何让光形成BEC的呢?科学家采用了一种巧妙的方法:将光子困在一个微腔中,并让它球盟会官网入口们与物质相互作用,从而“间接冷却”光子,使其变得类似于超流体。
使用两个高度反射的镜子,构建一个光学腔这个腔体限制了光子的运动,使它们只能在一定范围内来回反射,从而达到类似粒子气体的行为;然后在腔内填充一种特定的染料分子,这些分子可以吸收并重新发射光子,使得光子的能量在多个吸收-再发射过程中趋于热平衡。
降低系统温度,并增加光子的密度由于光子在腔内不断被重新吸收和发射,它们的整体状态逐渐变得类似于普通的玻色子气体。当温度足够低、光子数量足够多时,它们会自发地进入相同的量子态,形成一个宏观可见的光子BEC。
当这一过程完成后,光子不再是单个个体,而是表现得像一个“超流体”,能够在腔体中无摩擦地流动。2010年,德国波恩大学的研究团队首次在实验中成功实现了光子BEC,为后来的光超流体研究奠定了基础。随后,2017年,意大利和法国的研究团队在半导体微腔中观察到了光的超流体现象,证明光子在合适的环境下确实可以无摩擦流动。
超固体(Supersolid)是一种奇特的物质状态,它既有超流体的无摩擦流动性,又具有固体的周期性结构。这意味着在超固体中,物质的某些部分可以自由流动,而整体仍然维持固定形状。这种状态突破了固体与流体的传统分类,展示了量子物质的新奇特性。
有人将超固体比喻为一块部分溶解的冰,有流体性质也有固体性质。但实际上,它们之间既有相似性又并不相同,实际上有着本质区别。
尽管它们在宏观上都表现出“双重性质”,但超固体的机制完全不同,它不是由局部的“固体”和“液体”简单共存,而是整个系统同时是固体又是超流体,这是一种量子相干性导致的奇异现象,也就是在量子力学中所谓薛定谔的猫状态。
光子的BEC本身是均匀的,它不会自发地形成类似固体的结构。要让它成为超固体,科学家需要引入额外的长程相互作用,让光子凝聚态中的粒子形成某种规则的排列(类似固体的晶格结构)。
极化激元(Polariton)是一种由光子和物质中的电子-空穴对耦合形成的准粒子。它既具有光子的特性(无质量、可以高速传播),又具有物质粒子的特性(能相互作用)。科学家发现,在特定的半导体微腔中,极化激元不仅能形成BEC(超流体态),还能在合适的条件下形成空间周期性的结构(类似固体晶格),从而进入超固体状态。
使用半导体纳米结构(如砷化镓微腔)激发极化激元。研究人员用激光照射半导体材料,使光子与材料中的电子-空穴对结合,形成极化激元。
调节系统参数,诱导极化激元相互作用通过控制激光强度、微腔尺寸等参数,科学家可以使极化激元不仅凝聚(形成BEC),还形成规则的晶格结构。这样,极化激元系统既表现出超流体特性,又拥有固体的晶格结构,形成了光的超固体。
这些奇特的光学态不仅在基础物理学中具有重大意义,还至少可能在以下领域带来突破:
超低能耗光学器件:由于超流体光子可以无摩擦流动,它们可能被用于开发新型光计算机或低能耗通信设备。
精密传感器:超固体光学态可以用于构建高灵敏度传感器,在量子测量领域提供新的工具。
探索宇宙中的奇异物质:科学家推测,中子星内部可能存在超固体态,因此研究这些系统可以帮助我们理解极端宇宙环境。
因此,光在极端条件下可以变成超流体,甚至进一步形成超固体,这一发现不仅挑战了我们对光的传统认知,也为未来的量子技术和光学应用带来了新的可能性。从“流动的光”到“固体光”,人类正在逐步揭开量子世界的神秘面纱,为未来的科技发展铺平道路!
告诉大家怎么理解这个东西。电影中的女鬼都见过吧?一袭白衣,无声无息,飘逸丝滑,而且还有鬼的形态,同时满足超流体和超固体的特性。认可的帮我点个赞。
能创造出这样的东西非常神奇,能用新词汇新语音表达出来,写成文章都很不错,换着大多数人真不知道该怎么表达[大笑][大笑][大笑][吐舌]
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