世界首創(chuàng)：物理學家在光之外創(chuàng)造超固體

超固體是一個奇怪的量子物質(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解，因為科學家們已經(jīng)將光本身變成了超固體。這是一項突破，可能會導(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。

“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的原子和光學物理學家 Iacopo Carusotto。

飛沫，Carusotto解釋，“能夠在不經(jīng)歷擾動的情況過障礙物，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 （CNR） 的科學家領(lǐng)導(dǎo)的團隊現(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)中流動的光流體中實現(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的凝聚態(tài)物理學家 Dario Gerace。

準確了解這里發(fā)生的事情可能很棘手?？茖W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)建準粒子叫極化激元.

過去曾使用過類似的設(shè)置來轉(zhuǎn)動光轉(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，光子進入動量為零的狀態(tài)，但隨著這種狀態(tài)“填滿”，成對的光子開始溢出到兩個相鄰的狀態(tài)中。這會導(dǎo)致極化激元凝結(jié)成團隊所說的連續(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)該使整個系統(tǒng)成為一個超固體。

為了確認情況確實如此，該團隊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)兩個高聳的山峰，中心有一個裂縫。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、每個狀態(tài)分量中以及在整個系統(tǒng)中全局相干。果然，這個脆弱的秩序團結(jié)在一起，進一步證明了超固體的形成。

該團隊表示，這代表了一種制造奇怪物質(zhì)狀態(tài)的全新方式。

“這項工作不僅展示了在光子平臺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)研究所的物理學家 Daniele Sanvitto。

“這一點特別重要，因為這種方法有可能彌合基礎(chǔ)科學和實際應(yīng)用之間的差距。”

該研究發(fā)表在雜志上自然界.

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