《自然》重磅论文：光子系统中首次实现“超固态”

凝聚态物理学领域不断拓展我们对物质及其各种状态的理解边界。在最有趣和违反直觉的物质状态中，就包括超固态。超固态最早在 20 世纪 60 年代被理论提出，代表了一种奇特的相，它结合了看似矛盾的固态和超流体的特性。超固态的特征在于其晶体有序性（固体的标志）以及无粘性流动的能力（超流体的定义特征）。

几十年来，超固态仍然是一种理论上的好奇，实验证据难以捉摸，并且经常存在争议。然而，最近实验技术和材料的进步已经明确地观察到超冷原子气体中的超固态。最近，发表在《自然》的一篇开创性论文，报告了在一个全新的系统中实现超固态：填充有激子-极化子的光子晶体波导。这一成就不仅扩展了超固态研究的领域，而且为探索这种奇异状态的基本物理学开辟了新途径。

理解超固态：一种反常的物质状态

超固态的概念挑战了我们对物质状态的经典直觉。固体的典型定义是其刚性结构，其特征是晶体格子，其中原子或分子以周期性顺序排列。这种刚性结构阻止了它们的自由流动。另一方面，超流体是量子流体，在临界温度以下表现出无摩擦流动。这种非凡的特性源于玻色-爱因斯坦凝聚，其中宏观数量的玻色子占据相同的量子基态，导致长程相干性和无耗散流动。超固态提出了一种状态，其中这些看似相互排斥的特性可以共存。在超固态中，组成粒子以晶体格子有序排列，但其中一部分粒子可以在晶格中无阻力地移动，表现出超流动性。

超固态的理论基础是由亚历山大·安德烈夫和盖伊·切斯特在 20 世纪 60 年代后期独立奠定的。他们提出，如果晶体固体包含空位或间隙的玻色-爱因斯坦凝聚体，则可以表现出超流动性。然而，在传统固体氦-4（最有可能的候选者）中寻找超固态的实验证明极其具有挑战性，并且多年来产生了模棱两可的结果。直到 2000 年代中期，超冷原子气体中才出现了超固态的确凿实验证据，特别是在偶极玻色-爱因斯坦凝聚体和光学晶格中。这些实验利用超冷原子系统提供的精确控制来设计和观察超固态行为，证实了理论预测并重振了该领域。

光子晶体极化子凝聚体：超固态的新型平台

最近在光子晶体极化子凝聚体中实现的超固态，标志着与传统凝聚态系统和超冷原子气体的重大背离。极化子是准粒子，它是由半导体微腔或波导中光子和激子（电子-空穴对）的强耦合产生的。它们继承了光和物质的特性，表现出轻质量和强相互作用，使其成为在相对较高的温度下研究宏观量子现象的理想候选者。当达到高密度的极化子时，它们可以经历玻色-爱因斯坦凝聚，形成一种称为极化子凝聚体的宏观量子态。这些凝聚体表现出类似超流体的特性，包括长程相干性和流动能力。

光子晶体是周期性光学结构，可以控制和操纵光的流动。通过引入缺陷或仔细设计光子晶体结构，可以创建限制模式，将光捕获在晶体内部。在极化子凝聚体的背景下，光子晶体可以充当增强光-物质相互作用和设计极化子凝聚体自身特性的腔体。

发表在《自然》上的开创性工作利用一维光子晶体波导创建了一个可以出现超固态的系统。他们设计中的一个关键要素是使用拓扑束缚态连续谱 (BiC)。 BiC 是嵌入辐射模式连续谱中的特殊局域态，这意味着它们在理论上是完全受限的，并且不会泄漏到周围环境中。在这种光子晶体波导中，BiC 提供了一种捕获光并减少损耗的机制，这对于实现极化子凝聚和观察像超固态这样的精细量子现象至关重要。拓扑 BiC 的使用进一步增强了这些受限态抵抗缺陷和无序的鲁棒性，使系统更加稳定可靠，可用于实验研究。

光子系统中超固态的实验证据

研究人员通过仔细分析凝聚体的空间密度分布，实验证明了超固态在其光子晶体极化子凝聚体系统中的涌现。他们观察到凝聚体内部自发产生的密度调制，这表明平移对称性被破坏，这是超固态中晶体结构的标志性特征。这种密度调制源于极化子之间的长程相互作用与光子晶体晶格提供的底层周期性势之间的相互作用。密度调制的出现，结合极化子凝聚体已知的超流体特性，为在该系统中实现超固态提供了强有力的证据。

为了进一步证实观测到的状态的超固态性质，研究人员可能进行了额外的测量，以探测凝聚体的超流体特性，例如测量其无阻力流动能力或其对旋转的响应。虽然这些测量的具体细节将在完整论文中找到，但密度调制的观察是确立超固态相的关键一步。

意义和未来方向

在光子晶体极化子凝聚体中实现超固态是一项重大突破，具有深远的影响。首先，它将研究超固态的材料平台从超冷原子和氦-4扩展到光子学领域。这为在具有不同相互作用强度、维度和实验可及性的系统中探索超固态物理学开辟了新的可能性。光子系统具有易于操作、动力学更快以及可能与现有光子技术集成的优势。

其次，在驱动耗散、非平衡系统（如极化子凝聚体）中观察到超固态，引发了关于非平衡环境中超固态性质的基本问题。大多数关于超固态的理论和实验研究都集中在平衡系统上。探索驱动耗散系统中的超固态可能会对非平衡动力学、量子相干性和涌现物质相之间的相互作用产生新的见解。