科學家首次把光變成"固體"！這一顛覆認知的驚人發現，打破了我們對物質狀態的傳統認知。那些每天我們都能感受到，卻摸不著的光，現在被科學家變成了一種可以像固體一樣存在，卻又能像液體一樣流動的奇特物質！
研究背景
超固體是一種反直覺的物質相，其組成粒子排列成晶體結構，但又能夠無摩擦地流動。可以想象一塊冰，它的分子排列整齊，固定不動；再想象一杯水，它可以自由流動。在正常情況下，一種物質不可能同時具備這兩種特性。然而，超固體打破了這一常規！這要求粒子共享一個全局宏觀相位，同時能夠通過自發的空間自組織來降低總能量。超固體物質相的存在50多年前就曾被推測出來。然而，直到最近，主要通過使用與電磁場耦合的超冷原子玻色–愛因斯坦凝聚物（BECs）才有了令人信服的實驗證據。在這些實驗中，利用與高品質腔體耦合的原子、具有大磁偶極矩的原子、以及具有條紋相的自旋軌道耦合的雙組分系統等，創造了超固體的不同形式。近日，意大利羅馬納米技術研究所Dimitrios Trypogeorgos等人合作在“Nature”期刊上發表了題為“Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates”的最新論文。研究人員使用了一種叫做"砷化鋁鎵"的半導體材料，并在上面刻上特定圖案的窄脊。然后用激光照射這塊半導體，光子會與半導體中的電子相互作用，配對形成極化激元。半導體上的脊狀圖案限制了這些粒子的運動方式和能量水平，最終，這些粒子會凝聚成超固體狀態。本文提供了在驅動-耗散非平衡背景下實現超固體相的新實驗證據，該相基于在具有極低損耗的拓撲非平凡的連續束縛態（BiC）中凝聚的激子–極化子，并通過光子晶體波導實現。 作者測量了極化子態的密度調制，表明平移對稱性被打破，精度達千分之幾。通過直接訪問波函數的相位，作者還測量了超固體的局部相干性。作者展示了合成光子材料在承載聲子動力學和多模激發譜方面的潛力。
研究亮點
（1）實驗首次在驅動-耗散的非平衡背景下實現了超固體相，得到了基于極低損耗的拓撲非平凡的連續束縛態（BiC）中的激子–極化子凝聚體。
（2）實驗通過在光子晶體波導中實現超固體相，觀測到極化子態的密度調制，表明了平移對稱性的破缺，精度達到千分之幾。此外，通過直接訪問波函數的相位，成功測量了超固體的局部相干性。
（3）實驗通過調節模式折疊條件和激子–光子失諧，發現在光子晶體極化子的色散中形成了兩個額外的模態，這些模態相對于k=0的BEC對稱分布，并具有相同的極化。該過程導致了凝聚體與相鄰模態之間的光學參量振蕩，表現為參量過程中的能量簡并，進一步展示了光子–極化子相互作用的潛力。
圖文解讀
結論展望
本文展示了在一個驅動-耗散極化子系統中出現的非平衡超固體態的證據，這為研究凝聚態物理學中的超固體現象提供了一個新的靈活平臺。為了更廣泛地將作者的工作置于超固體的背景下，超固體現象主要在超冷原子系統中觀察到，作者在坐標空間和倒易空間中實驗性地探討了其特征、對角和非對角長程有序性以及依賴相互作用的行為。作者的超固體狀態是通過等能光學參量振蕩（OPO）過程自發打破非共振極化子凝聚體在光子晶體波導中的平移對稱性形成的。作者強調，這是在非平衡極化子系統的驅動-耗散背景下創建超固體的新機制，而不僅僅是原子平臺中已展示的機制的光子類比。 對參量散射光的分析表明，系統在給定閾值下凝聚，并在更高功率下激活OPO。理論上，作者也期望存在兩個不同的過渡點。通過利用這些光子晶體系統中的豐富工程機會，可以完全消除模態之間的線性耦合。這將使作者能夠觀察密度調制的完全相位自由性，無論是在單次實驗中還是在更高階的相干函數中。空間依賴的g(2)(x ? x′)將顯示密度調制的特征，因為它僅對相對距離處的極化子如何關聯敏感。由于晶體調制的間距不是剛性的，而是受到短程極化子相互作用的影響，因此超固體的低激發光譜應該揭示自發破缺對稱性所導致的兩個聲子Goldstone分支。觀察激發光譜以及隨機渦旋的擴展和動力學，通過增加系統的維度，是這一研究的自然發展方向。超越參量散射，類似的效應已被提出，利用耦合到間接激子的方式來設計長程偶極相互作用，這可以在壓縮下導致結晶，或者使用玻色–費米混合物，其中激子與電子氣耦合。Trypogeorgos, D., Gianfrate, A., Landini, M. et al. Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08616-9
