引言

在日常生活中，我们主要可以接触物质的三个状态：气体、液体和固体。想象一下，如果有一种物质既能像有刚性晶体结构的固体一样整齐排列，又能像无摩擦的超流体一样流动，这听起来是不是很科幻？这种看似矛盾的现象正从科幻走向现实。2025年3月，《自然》杂志刊发了一项里程碑式研究《Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates》：科学家首次在光子晶体中观测到超固态（Supersolid）——一种既遵循晶体对称性又具备超流特性的奇异物态。这一突破不仅验证了50多年前的理论预言，更开辟了非平衡量子物态研究的新领域。

第一章 什么是超固态？

超固态是物质的一个违反直觉的相，其中其组成粒子排列成晶体结构，但它们可以自由流动而没有摩擦。这要求粒子共享一个全局宏观相位，同时能够通过自发的空间自组织来减少它们的总能量。想象一下，在一个拥挤的剧院里，除了前排的三个座位外，所有座位都被占用了：一个在中间，另外两个在排的两端。中央座位视野最好，所以这是人们想坐的地方，但只有一个人可以坐在那里。在玻色子粒子（具有整数自旋的粒子）所在的量子剧院中，每个人都可以坐在中央座位上，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态——一种超流体态，其中大部分粒子同时占据能量最低的量子态，波数 k = 0。但是，粒子之间的相互作用限制了可以位于该位置的粒子的最大数量，超过该值后，它们会开始将成对的粒子推到该行左端和右端的座位上。随着粒子在量子剧院中积累，两个“卫星凝聚态”以类似于中央座位的方式在左右座位中逐渐形成。

具体到光子系统中的超固体。量子剧院代表半导体平台，光子以非相干方式（彼此异相）注入其中。席位代表光子可用的三种量子态，它们具有相同的能量（它们在同一行中），但具有不同的波数（它们在行中的位置不同）。当只有几个光子时，它们在很大程度上是不相干的。然而，超过阈值时，在零动量 k = 0 状态下会形成单个凝聚态。当光子数量进一步增加时，系统通过参数散射（以保留其组合能量和动量的方式将成对光子发射到相邻状态）来降低其能量。这些光子形成卫星凝聚态，这些凝聚态具有相反的非零波数，但具有相同的能量（它们是等能的）。以这种方式，超固态出现，并且系统中光子密度的空间调制发生，这是超固态的特征。

早在 50 多年前，科学家们就预测了这种物态的存在，但直到最近才在实验中得到证实。多数研究仍然集中在超冷原子系统中，而本研究首次在光子晶体极化激元凝聚体（polaritonic condensate）中观察到了超固态，为探索这种奇特物态提供了一种全新的光学平台。

第二章 光子晶体：极化激元超固态

极化激元（exciton-polaritons）是光与物质相互作用形成的一种准粒子，它结合了光子（光粒子）和激子（电子-空穴对）的特性。由于极化激元具有轻质量和强相互作用，它们能够在低温下自发形成玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），即大量粒子聚集到最低能量状态并表现出相干性。在这项研究中，科学家们利用了一种特殊的光学结构——光子晶体波导（photonic crystal waveguide），其周期性微结构能够调控光的传播行为。通过精确设计，这种光子晶体能够形成一种特殊的状态——连续谱中的束缚态（Bound state in the continuum, BiC），它允许光子能量极低的激元在其中被束缚，从而减少损耗并增强极化激元的相互作用。

第三章 超固态的实验验证

1、密度调制的形成

研究人员通过荧光成像发现，当激发功率超过阈值时，原本均匀的极化激元凝聚体出现了“周期性密度调制”，调制幅度约为2.6%。这种调制在倒易空间（Reciprocal Space）中表现为对称分布的两个额外能带（±k），与BiC形成能量简并的光学参量振荡（optical parametric oscillation, OPO）过程，产生密度调制（即晶体结构）。

图1 光子散射成超固态。

随着泵浦功率的增加，极化激元的密度开始形成规则的调制图案，意味着平移对称性（translational symmetry）的破缺，这是超固体态的一个核心特征。

图2 参数散射。

2. 测量局域和全局相干性（Coherence）

通过干涉测量，研究人员进一步证实了这种密度调制的相干性，直接观测到极化激元波函数的”一阶关联函数（g¹）”。结果显示，在阈值以上，波函数的相位相干长度显著增加，表明整个凝聚体形成了统一的量子相位。即它们不仅是简单的干涉图案，而是真正的超固体波函数表现出的周期性调制，直接证明了超固体脆弱的局部和长期相干性得以保留。

图3 高于阈值的空间相干性。

3. 调制的非刚性

研究发现，密度调制的周期并非固定，而是受到极化激元之间相互作用的影响。通过分析集体激发谱，研究人员发现，密度调制的波矢（k）会随激发功率变化而移动，类似于非刚性的“旋子”（Roton）行为。

图4 非刚性散射。

终章 科学意义与未来展望

超固体态的研究是物理学中的前沿领域，这项研究首次在非平衡、驱动-耗散系统中观察到了超固体态。这项研究不仅拓宽了超固体研究的实验平台，也为未来光学器件的开发提供了新的思路。随着实验技术的进步，我们或许能进一步探索这种奇特物态的更多可能性，包括更高维度的超固体结构、动力学行为以及其在量子信息处理中的应用。“这项工作不仅展示了在光子平台中对超固体相的观察，而且还为探索非平衡系统中物质的量子相开辟了道路”，CNR 纳米技术研究所的物理学家 Daniele Sanvitto 这样说。然而，正如在Nature期刊简报《A supersolid made using photons》提及的那样，这只是理解驱动耗散非线性光子系统中的超固体性的开始。

参考文献：

Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M., et al. (2025). Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates. Nature, 639(337).

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08616-9

撰稿｜王思涵

指导丨刘玉龙