如果光變成和水一樣的液體，它會(huì)發(fā)生什么?這并不是一個(gè)腦洞。近日，科學(xué)家們首次在室溫下制造出液態(tài)光，讓光像水一樣在某個(gè)物體周圍流動(dòng)、彎曲和環(huán)繞。

圖 | 藝術(shù)家對(duì)液態(tài)光的想象動(dòng)畫

此次突破由意大利CNR納米技術(shù)研究所和加拿大蒙特利爾理工學(xué)院的科研人員共同完成，相關(guān)論文發(fā)表在 6 月 5 日的《自然·物理》上。該研究的成功實(shí)施為量子流體力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展鋪平了道路，也可能為室溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)方法以及新型電子元件提供靈感。

圖丨上圖為一般液體碰到障礙的反應(yīng);下圖為液態(tài)光碰到障礙的反應(yīng)

其實(shí)，在某些特定情況下，光的確可以變成液體，成為一種超流體，但是，要實(shí)現(xiàn)這種效應(yīng)需要非?？量痰臈l件，因?yàn)橐簯B(tài)光屬于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)——這種凝聚態(tài)的又稱為“物質(zhì)的第五態(tài)”(共有六種物態(tài)，其他五個(gè)分別為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)、和費(fèi)米子凝聚態(tài))。一般情況下，類似的物態(tài)只能在接近絕對(duì)零度(零下攝氏273度)的低溫下出現(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家、來(lái)自意大利 CNR 納米技術(shù)研究所的 Daniele Sanvitto說(shuō)：“此次工作中最不同尋常的是，我們證明了超流體現(xiàn)象也可以在室溫的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)”。

圖丨該項(xiàng)目的兩位負(fù)責(zé)人Daniele Sanvitto 和 Stéphane Kéna-Cohen

研究團(tuán)隊(duì)的另一名負(fù)責(zé)人 Stéphane Kéna-Cohen 則描述了液態(tài)光一個(gè)更為戲劇化的效果：不同于一般液體，液態(tài)光遇到障礙只會(huì)平滑地繞過(guò)去，不會(huì)產(chǎn)生任何波紋和漩渦，表現(xiàn)出零摩擦和零粘性這兩個(gè)特性。

圖丨隨著能量的增加，流體在經(jīng)過(guò)物質(zhì)時(shí)逐漸有了超流體的性質(zhì)。四組對(duì)比圖分別描述的是電磁極化子的分布、強(qiáng)度、動(dòng)量、和密度

不難看出，液態(tài)光的制備方法與金屬超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)方法有相似之處：兩者都只能在極其低溫的條件下才能被觀察到，而且持續(xù)的時(shí)間非常短。

圖丨該實(shí)驗(yàn)的光學(xué)設(shè)置，兩個(gè)鏡片之間存在一層極薄的有機(jī)分子片

那么，這一次科學(xué)家是如何在室溫條件下制造出液態(tài)光的?據(jù)Stéphane Kéna-Cohen介紹，為了達(dá)到這個(gè)目的，他們把一個(gè) 130 納米厚的有機(jī)分子切片放在了兩個(gè)反射率極高的鏡片之間，形成一種類似三明治的結(jié)構(gòu)。

然后，研究人員用周期為 35 飛秒的激光脈沖轟擊這個(gè)系統(tǒng)，使得光子在鏡片間來(lái)回彈射。在這個(gè)過(guò)程中，光子與中間的有機(jī)分子急速交錯(cuò)，從而形成了一種具備光-物質(zhì)二元屬性的液態(tài)光。簡(jiǎn)而言之，光子和有機(jī)分子中的電子相耦合便形成了液態(tài)光。

圖丨極化激元

該實(shí)驗(yàn)中的這種耦合體叫做極化激元，是一種準(zhǔn)粒子。它是由電磁波之間的強(qiáng)烈耦合以及帶有電偶極子或磁偶極子的激發(fā)作用中誕生。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，極化激元的形成也可看為一顆受激的光子。

極化激元-超流體的概念最早于2007年就被提出，當(dāng)時(shí)的研究者就提出了假設(shè)，這類超流體的最大特點(diǎn)之一就是有可能在室溫下被實(shí)現(xiàn)。

圖丨低能和高能的其他測(cè)量成像對(duì)比，體現(xiàn)了超流體物態(tài)的形成

這次的突破將對(duì)未來(lái)的學(xué)術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。在學(xué)術(shù)研究上，除了可以讓科學(xué)家在常溫下研究與玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)相關(guān)的基本現(xiàn)象，液態(tài)光還可以為量子流體力學(xué)提供更好的研究對(duì)象。

至于其實(shí)際效用，Stéphane Kéna-Cohen說(shuō)：“這次成果不但展現(xiàn)了有關(guān)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的基礎(chǔ)性質(zhì)，還能啟發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)未來(lái)的光子超流體設(shè)備，這些設(shè)備很可能實(shí)現(xiàn)能量上的零損耗”。

此前，在與該實(shí)驗(yàn)原理相似的超導(dǎo)體研究中，制造接近零電阻的材料往往需要進(jìn)行嚴(yán)格的極度冷凍處理。如果利用本次的液態(tài)光制備方法，工程師可以在室溫條件下生產(chǎn)出更高效的超導(dǎo)材料設(shè)備，例如激光器、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池板和光伏電池等，而且這些裝置可以在很大程度上避免光子跟障礙物接觸帶來(lái)的能量損失。

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玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)

近幾年來(lái)，科學(xué)家制造出來(lái)的新型物質(zhì)種類越來(lái)越多，制備方法也正不斷走向常規(guī)化。無(wú)論是此前的金屬氫、時(shí)間晶體、負(fù)質(zhì)量超流體，還是這次的液態(tài)光，這些充滿想象力的發(fā)現(xiàn)都利用了物質(zhì)在極端情況下的奇異狀態(tài)。

其中，上文提到的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)便是其中之一，這種凝聚態(tài)的又稱為“物質(zhì)的第五態(tài)”(共有六種物態(tài)，其他5個(gè)分別為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)、和費(fèi)米子凝聚態(tài))，遵從量子力學(xué)而非經(jīng)典物理，也是本此研究中最重要的理論支柱。

圖丨1953年，薩特延德拉·納特·玻色盯著一張愛(ài)因斯坦的照片

80 年前，愛(ài)因斯坦和印度物理學(xué)家玻色就基于量子力學(xué)預(yù)言了這一物態(tài)的存在，愛(ài)因斯坦甚至因?yàn)槠涮^(guò)奇特的性質(zhì)而對(duì)自己的理論產(chǎn)生了懷疑。

該物態(tài)在試驗(yàn)中出現(xiàn)是在 1938 年，科學(xué)家在2.17K的溫度條件下發(fā)現(xiàn)氦的同位素，氦-4突然從正常流體突然轉(zhuǎn)變?yōu)檎承詾榱愕某黧w。然而，當(dāng)時(shí)人們還未把超流現(xiàn)象和愛(ài)因斯坦的理論聯(lián)系起來(lái)。

直到 1995 年，科羅拉多大學(xué)的Eric Cornell和Carl Wieman才制造出來(lái)真正的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)——約兩千個(gè)銣原子的聚合體。

為了冷卻這堆原子，這兩位科學(xué)家也是夠拼的，首先用激光技術(shù)強(qiáng)行降溫，然后在用磁場(chǎng)把較熱的原子一點(diǎn)一點(diǎn)削掉，最后才降到了100nK(百萬(wàn)分之一度)的溫度，不過(guò)研究成果最終還是為他們贏得了2001年的諾貝爾獎(jiǎng)。

圖丨1995年試驗(yàn)：用激光(紅色箭頭)和磁場(chǎng)(藍(lán)色箭頭)對(duì)銣原子(綠色區(qū)域)降溫，最終波色-愛(ài)因斯坦凝聚體在綠色區(qū)域出現(xiàn)

由此可見(jiàn)，這一回的常溫液態(tài)光簡(jiǎn)直6到飛起!在不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們期待這種物態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出更多神奇的物理特性，繼續(xù)為人類帶來(lái)意想不到的新發(fā)現(xiàn)。

神奇的超流體現(xiàn)象

零粘性、零摩擦、遇到障礙物不會(huì)產(chǎn)生皺紋……為什么液態(tài)光會(huì)有這些不可思議的特質(zhì)?這得從一種叫超流體的特殊現(xiàn)象說(shuō)起。

超流體現(xiàn)象是液體或氣體極端條件下表現(xiàn)出粘性為零的現(xiàn)象。因?yàn)榱鲃?dòng)時(shí)不對(duì)周圍產(chǎn)生摩擦力，其機(jī)械能損失也為零，如果我們將超流體放置于環(huán)狀容器中，由于沒(méi)有摩擦力，它可以永無(wú)止盡地流動(dòng)。而表現(xiàn)出該性質(zhì)的物質(zhì)被稱為超流體，此次制造出的液態(tài)光就是超流體狀態(tài)下的光。

圖丨如你所見(jiàn)，超流體流經(jīng)障礙物時(shí)不產(chǎn)生任何波紋

超流體一般只存在于接近絕對(duì)零度的極端環(huán)境中，因?yàn)槎鄶?shù)超流現(xiàn)象是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的體現(xiàn)——當(dāng)粒子聚合物冷卻至一定程度時(shí)，就會(huì)以最低能態(tài)凝聚，此時(shí)它們處于一種基于波粒二象性形成的半量子態(tài)，故費(fèi)米子可以像玻色子一樣在狹小的空間內(nèi)凝聚。

為了方便大家理解，就是一團(tuán)粒子在很冷很冷的時(shí)候抱在一起了。他們抱團(tuán)之后彼此重合、不分你我，仿佛許多粒小水滴聚合成大水潭一樣。如此一來(lái)，因?yàn)槠涓叨认喔傻牧孔有再|(zhì)，流動(dòng)時(shí)摩擦力和粘性消失也不足為奇了。

超流現(xiàn)象是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的一種體現(xiàn)，但不是所有超流體都處于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。與之相對(duì)應(yīng)的還有費(fèi)米子凝聚態(tài)，適用于對(duì)超導(dǎo)體的理論描述。