世界首創(chuàng)：物理學(xué)家在光之外創(chuàng)造超固體

超固體是一個(gè)奇怪的量子物質(zhì)狀態(tài)它結(jié)合了固體和液體的特性。

現(xiàn)在，他們變得更加令人費(fèi)解，因?yàn)榭茖W(xué)家們已經(jīng)將光本身變成了超固體。這是一項(xiàng)突破，可能會(huì)導(dǎo)致新的量子和光子技術(shù)。

除了日常的固體、液體、氣體和等離子體之外，還有一整套奇異的物質(zhì)狀態(tài)存在。長期理論化但僅最近創(chuàng)建中，超固體具有與普通固體類似的晶體結(jié)構(gòu)，但它也可以像流體一樣自由流動(dòng)。

“我們可以將超固體想象成一種由周期性排列在太空中的相干量子液滴組成的流體，”說意大利特倫托大學(xué)的原子和光學(xué)物理學(xué)家 Iacopo Carusotto。

飛沫，Carusotto解釋，“能夠在不經(jīng)歷擾動(dòng)的情況過障礙物，保持它們的空間排列和相互距離不變，就像在結(jié)晶固體中發(fā)生的那樣。

超固體以前只由原子組成，但由意大利國家研究委員會(huì) （CNR） 的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在首次使用光子創(chuàng)造了超固體。

“在半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的光流體中實(shí)現(xiàn)凝聚態(tài)的這種奇特狀態(tài)，將使我們能夠以一種新的、可控的方式研究其物理特性，也許能夠利用其獨(dú)特的特性在新的發(fā)光器件中可能的應(yīng)用，”說意大利帕維亞大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家 Dario Gerace。

準(zhǔn)確了解這里發(fā)生的事情可能很棘手?？茖W(xué)家們不只是從空氣中拔出自由飛行的光子，然后哄騙它們進(jìn)入一種奇特的物質(zhì)狀態(tài)——光畢竟不是物質(zhì)，它是能量。

為了使其發(fā)揮作用，研究人員必須將光子耦合到重要環(huán)境中。光子來自激光，激光被光束到砷化鎵半導(dǎo)體上，該半導(dǎo)體為方程提供了物質(zhì)部分。光子與材料中的激發(fā)相互作用以創(chuàng)建準(zhǔn)粒子叫極化激元.

過去曾使用過類似的設(shè)置來轉(zhuǎn)動(dòng)光轉(zhuǎn)化為超流體.將其制成超固體需要一些額外的步驟。

砷化鎵具有一種特殊的結(jié)構(gòu)，旨在將光子縱成三種不同的量子態(tài)。

起初，光子進(jìn)入動(dòng)量為零的狀態(tài)，但隨著這種狀態(tài)“填滿”，成對的光子開始溢出到兩個(gè)相鄰的狀態(tài)中。這會(huì)導(dǎo)致極化激元凝結(jié)成團(tuán)隊(duì)所說的連續(xù)體中的束縛態(tài) （BiC）。

將極化激元限制在半導(dǎo)體內(nèi)的每種狀態(tài)使它們具有固體的空間結(jié)構(gòu)，而它們無摩擦地自然流動(dòng)的能力使它們成為超流體。兩者的特性加在一起應(yīng)該使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)超固體。

為了確認(rèn)情況確實(shí)如此，該團(tuán)隊(duì)隨后必須檢查一些跡象。繪制光子密度的地圖可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)高聳的山峰，中心有一個(gè)裂縫。但除此之外，還有一種特殊的調(diào)制模式，這表明平移對稱性被打破了——這是超固體的一個(gè)特征。

接下來，他們使用干涉測量法測量系統(tǒng)的量子態(tài)，并確保它在本地、每個(gè)狀態(tài)分量中以及在整個(gè)系統(tǒng)中全局相干。果然，這個(gè)脆弱的秩序團(tuán)結(jié)在一起，進(jìn)一步證明了超固體的形成。

該團(tuán)隊(duì)表示，這代表了一種制造奇怪物質(zhì)狀態(tài)的全新方式。

“這項(xiàng)工作不僅展示了在光子平臺(tái)中對超固體相的觀察，而且還為探索非平衡系統(tǒng)中物質(zhì)的量子相開辟了道路，”說CNR 納米技術(shù)研究所的物理學(xué)家 Daniele Sanvitto。

“這一點(diǎn)特別重要，因?yàn)檫@種方法有可能彌合基礎(chǔ)科學(xué)和實(shí)際應(yīng)用之間的差距。”

該研究發(fā)表在雜志上自然界.

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