室温下也能出现量子超固体？科学家造出既像液体又像晶体的新物态

在我们日常的生活经验里，物质要么是固体，要么是液体或气体。但在微观的量子世界中，粒子的排列和行为往往会打破常规边界。据科学资讯网站ScienceAlert报道，一个国际研究团队在学术期刊《科学进展》上发表了一项新成果：他们成功在室温环境下构建出一种奇特的量子物态——“超固体”，甚至在接近60摄氏度的温热环境下也能稳定运转，完全摆脱了以往量子物理实验对严苛极低温制冷设备的依赖。对于非物理专业的读者来说，“超固体”听起来多少有些自相矛盾。简单拆解一下：在量子领域，超流体指的是一种毫无黏性、能够零阻力流动的液体；而超固体则更进一步，它既具备超流体那种毫无阻碍流动的特性，内部又拥有像普通固体一样规则、周期性排列的晶体结构，就像是“流动着的晶体”。研究团队本次实现的具体形态，是“激子-极化激元玻色-爱因斯坦凝聚态”中的超固体。其中，激子-极化激元是一种光与物质紧密结合的混合准粒子，而玻色-爱因斯坦凝聚态则是大量微观粒子统一表现为单个量子实体的特殊状态。

实现这种室温量子态的关键，在于一种被称为“微腔”的微小光陷阱装置。研究人员把可以通过电压精确调控的液晶，与能和光发生强相互作用的有机半导体材料组合在一起，再用激光脉冲为体系注入能量。波兰军事技术大学物理学家维克托·皮耶切克（音译）介绍，这种液晶微腔成本相对较低、能够通过电压灵活控制，并且不需要昂贵复杂的制冷机，在接近60摄氏度的温度下依然能够运行。不过，要在实验中捕捉到这种物态并不轻松。由于有机半导体材料会随着时间与液晶发生反应而逐渐老化退化，所产生的量子态转瞬即逝，单个粒子产生后的维持时间不到一秒。纽约市立学院物理学家马尔钦·穆申斯基（音译）提到，他们必须提前严密规划整套实验步骤，因为重复一次测量就意味着必须重新制备全新的样本。有趣的是，正是这种转瞬即逝的动态过程印证了量子特性的纯粹。

激光脉冲每次重新激发凝聚态时，超固体结构中像固体晶体一样的条纹图案，排列位置都会与前一次出现轻微不同。法国国家科学研究中心物理学家纪尧姆·马尔皮埃什（音译）指出，这是物理学中“自发对称性破缺”的教科书级实证——理论早已预测超固体可以在多个等效状态之间自发选择，实验记录的结果正与理论完全契合。条纹位置的自然刷新也充分证明，这一状态是该量子系统本身的固有属性，而非外部微腔结构强加的影响。该结果不仅在多个测试样本中得到了一致验证，也得到了计算机仿真模型的支持。科研人员接下来的探索方向，包括设法延长核心反应的存续时间，以及进一步观测条纹中显现的量子涡旋——这些缺陷结构正是超流体行为的明确标志。此外，这里展现的自旋-轨道耦合机制（光的偏振与运动相互关联），让人们无需高昂的制冷代价就能深入研究光与物质的量子流体物理，未来在光学计算芯片和先进传感器等方向上都具备潜在的应用价值。平时我们总觉得量子效应必须被冰封在接近绝对零度的真空罐里，如今科学家用一束激光、一块微腔，在日常室温甚至微温的环境下就抓住了这种“既是流体又是晶体”的新奇物态，确实让人惊叹微观物理世界的丰富与精妙。