超流体,超固体是什么?有何前景?

超流体,超固体是什么?有何前景?

先说答案:超流体是"流起来没阻力"的量子液体;超固体是"既有晶体的条纹、又流起来没阻力"的怪胎。1960 年代理论家先在纸上算出它可能存在,2017 年才在比外太空还冷的超冷原子里第一次做出来。而这次的新闻是:华沙大学牵头的团队把它做到了室温,主角还不是原子,是激子极化激元,粗暴点说,就是"穿了物质外衣的光"。

超流体得先说清楚,不然"超"字没着落。招牌性质是零粘滞:液氦降到 2.17 K 以下,突然能穿过最细的毛细管而不减速,拿勺子搅一下,转起来几乎不停。微观上是一大群玻色子挤进同一个量子态,整团液体共用一个相位,流动变成一整个宏观波函数的运动,单个粒子的磕磕碰碰被平均掉了,所以没有摩擦。

超固体的别扭之处在于,固体和超流的要求互相打架:前者要粒子排成固定格子钉在原地,后者要全同粒子离域、集体流动。量子力学的折中方案是:粒子整体上保持周期性的密度调制,像晶体一样有条纹,同时保持宏观相位相干、无摩擦流动,像超流一样。1960 年代人们先在固体氦里找这个相,找了几十年,理论上也吵了几十年。

2017 年转机来了:ETH 苏黎世用光晶格里的铷原子、MIT 用自旋轨道耦合的玻色–爱因斯坦凝聚体,几乎同时宣布做出超固态。代价是温度,几十亿分之一开尔文。之后偶极原子(铒、镝)也做出了液滴阵列版,还看到了量子化涡旋。这就是超固态此前全部的家底:全是超冷原子,全要稀释制冷机伺候。

这次 TopoLight 联盟(华沙大学、波兰军事理工大学、IBM 苏黎世、法国 CNRS)换了条路。激子极化激元是光子和激子在微腔里强耦合形成的杂化准粒子。光子有效质量极轻,所以极化激元在室温下就能形成玻色–爱因斯坦凝聚,表现成"光的超流体"。这事 IBM 的 Stöferle 组多年前就在有机材料 MeLPPP 里做出来过,不算新。

新的是腔。上下两面布拉格反射镜夹一层向列液晶,液晶两侧各贴一层 35 纳米厚的 MeLPPP 有机薄膜,再加两层 ITO 电极。液晶双折射极大(寻常光折射率约 1.57、非常光约 1.98),加电压转动液晶分子,就能把不同宇称、不同偏振的腔模式调到共振。这一步会凭空造出一种 Rashba-Dresselhaus 自旋轨道耦合,把极化激元的能带掰成两个对称的极小(±k₀)。凝聚发生时,两个极小里同时长出凝聚体,两团"光流体"互相干涉,在实空间打出规则的密度条纹,周期由 k₀ 决定。这就是晶体的那一半。而"电调"这件事本身是第一次:电压旋钮直接连着量子相。

图:论文图 1。A:自旋轨道耦合把色散掰成 ±k₀ 两个极小,两团凝聚体干涉形成密度条纹,条纹位置由两团的相位差决定;B:微腔结构示意——上下布拉格反射镜(DBR)、向列液晶、两层 MeLPPP 有机薄膜、取向层与 ITO 电极。Credit: Science Advances (2026), DOI: 10.1126/sciadv.aee4875。

怎么证明它是超固态,而不是普通条纹?三条证据。第一,条纹是自发的密度调制,不是外加光栅印上去的。第二,每次激光脉冲激发,条纹都落在随机位置:样品里明明有无序杂质,条纹却不被钉住,每次独立"选"一个位置。这是教科书级的自发对称破缺,也是超流才有的抗无序本事。论文里也老实交代了反例:密度太低、接近阈值时,条纹还是会被无序钉住一部分。我第一次读到"条纹位置随机"时还以为是样品没做好,看到后面才反应过来这正是要找的信号。第三,约一成样品里看到了量子化涡旋,超流的另一个签名。顺带还看到发射光偏振的周期性调制(自旋螺旋),光强和偏振两种序同时在场。

做实验的人先累死了。MeLPPP 和液晶放一起会缓慢反应,样品组装完几小时内就开始退化。全部测量必须在几小时内做完,重测一次等于重做一个样品。第一作者 Muszyński 说,整个实验序列必须提前排好。关键数据是在 IBM 苏黎世测的,那边把有机薄膜沉积到波兰做的光子结构上。

那前景呢?最大的意义其实不在器件,在门槛。以前研究超固态,实验室先得有一台稀释制冷机;现在室温就行,还附带电压旋钮。等于有了一个桌面上的、可编程的"光量子实验室",专门研究光和物质的量子相。远一点,论文里提了超快光子器件、神经形态计算加速器、利用偏振灵敏度的高灵敏光学传感器。都还在"物理上可能"的阶段。

超固体 = 固体的条纹 + 超流体的脾气。这次人们第一次让"光"在室温下同时拥有这两样东西,还顺手给了它一个电压旋钮。

参考文献: