新量子態突破極限 科學家用光創造超固體

「超固體」（Supersolid）是一種獨特的量子態物質，兼具超流體的無黏性特徵與晶體的規則排列結構。這一奇異狀態過去僅能在人為的極端冷卻至接近絕對零度的原子凝聚態中觀察到，然而近期科學家取得了重大突破，成功地利用光子創造了這一量子態。這項發現不僅拓展了人類對超固體的理解，也為研究量子相變機制提供了全新的實驗途徑。

在日常生活中，我們習慣於處理四種基本的物質狀態——固體、液體、氣體與等離子體。例如，水在攝氏0度結冰，在攝氏100度沸騰，而等離子體則極端高能，不宜接觸。然而，當我們進入量子領域時，物質的行為變得極其反常，超越了經典物理的直覺理解。

其中，玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein Condensate, BEC）是一種極端狀態，當玻色子被冷卻至極低溫時，它們的波函數會彼此重疊，形成一個統一的量子態，表現得如同一個超粒子。而超固體則是一種更為特殊的量子態，它不僅具有超流體的零黏性，還同時保有類似晶格的規則排列。過去，科學家僅能利用超冷原子來製造這種量子態，但意大利萊切市奈米技術研究所CNR Nanotec的研究團隊，首次成功地以光子創造了超固體，並於2025年3月5日在《自然》（Nature）期刊發表了研究成果。

實驗突破與量子劇場

創造這種量子態並非易事。研究團隊採用了特殊設計的砷化鎵（gallium arsenide）晶片，表面雕刻有細微的脊狀結構。當光照射這些脊狀結構時，會產生一種稱為「極化激元」（polaritons）的準粒子。由於這些脊狀結構的設計約束，極化激元逐漸排列成超固體態，從而實現了這一突破性的物質狀態轉變。CNR Nanotec的Antonio Gianfate與帕維亞大學（University of Pavia）的Davide Nigro在《自然》雜誌的研究簡報中，形象地將這一過程比喻為「量子劇場」。

試想你身處一間座無虛席的劇院，整排座位僅剩下三個空位——一個在中央，另外兩個則位於最左端與最右端。由於中央座位視野最佳，所有人都希望坐在這裏，但按照經典物理的規則，每次只能有一人入座。然而，在量子世界中，玻色子（具有整數自旋的粒子）能夠同時佔據該位置，這便形成了玻色-愛因斯坦凝聚態，即一種大量粒子同時佔據最低能量狀態的超流體態。

然而，當粒子之間的相互作用增強並超過一定極限時，部份粒子會被迫離開中央座位，轉而向左、右兩側的座位分散，形成所謂的「衛星凝聚體」（satellite condensate）。隨著準粒子的數量增加，這一過程會透過參量散射（parametric scattering）進一步發展，最終形成具有規則排列結構的超固體態。

驗證其存在與未來展望

畢竟，在此之前，從未有人成功地利用光子來實現這一量子態。因此，為了確保他們所創造的確實是一種全新的光子超固體，研究團隊透過一系列精密測試，最終證實這些受困於晶片結構中的準粒子，確實同時表現出超流體的零黏性特徵與固體的結構特性，從而確認了光子超固體的存在。

相較於過去利用原子創造的超固體，光子超固體可能具有更高的可控性與靈活性，從而為未來的量子物理研究與應用帶來新的可能性。

研究團隊計劃進一步探索這種新型量子態的特性，尤其是它如何在不同條件下發生相變。這項研究不僅加深了我們對物質狀態的理解，也可能推動量子科技領域的發展，例如在量子計算、精密傳感與量子模擬等方面的應用。

物質世界遠比我們在學校學到的知識更加複雜，這項研究的突破性成果，無疑為探索量子物質的未來開啟了一扇嶄新的大門。◇