科學家次在室溫下製造出液態光 科學家為之瘋狂
2024-06-20 08:13:08 1
如果光變成和水一樣的液體，它會發生什麼?這並不是一個腦洞。近日，科學家們首次在室溫下製造出液態光，讓光像水一樣在某個物體周圍流動、彎曲和環繞。
圖 | 藝術家對液態光的想像動畫
此次突破由義大利CNR納米技術研究所和加拿大蒙特婁理工學院的科研人員共同完成，相關論文發表在 6 月 5 日的《自然·物理》上。該研究的成功實施為量子流體力學的進一步發展鋪平了道路，也可能為室溫超導的實現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;下圖為液態光碰到障礙的反應
其實，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，要實現這種效應需要非常苛刻的條件，因為液態光屬於玻色-愛因斯坦凝聚態——這種凝聚態的又稱為「物質的第五態」(共有六種物態，其他五個分別為氣態、液態、固態、等離子態、和費米子凝聚態)。一般情況下，類似的物態只能在接近絕對零度(零下攝氏273度)的低溫下出現。
團隊首席科學家、來自義大利 CNR 納米技術研究所的 Daniele Sanvitto說：「此次工作中最不同尋常的是，我們證明了超流體現象也可以在室溫的環境條件下實現」。
圖丨該項目的兩位負責人Daniele Sanvitto 和 Stéphane Kéna-Cohen
研究團隊的另一名負責人 Stéphane Kéna-Cohen 則描述了液態光一個更為戲劇化的效果：不同於一般液體，液態光遇到障礙只會平滑地繞過去，不會產生任何波紋和漩渦，表現出零摩擦和零粘性這兩個特性。
圖丨隨著能量的增加，流體在經過物質時逐漸有了超流體的性質。四組對比圖分別描述的是電磁極化子的分布、強度、動量、和密度
不難看出，液態光的製備方法與金屬超導的實現方法有相似之處：兩者都只能在極其低溫的條件下才能被觀察到，而且持續的時間非常短。
圖丨該實驗的光學設置，兩個鏡片之間存在一層極薄的有機分子片
那麼，這一次科學家是如何在室溫條件下製造出液態光的?據Stéphane Kéna-Cohen介紹，為了達到這個目的，他們把一個 130 納米厚的有機分子切片放在了兩個反射率極高的鏡片之間，形成一種類似三明治的結構。
然後，研究人員用周期為 35 飛秒的雷射脈衝轟擊這個系統，使得光子在鏡片間來回彈射。在這個過程中，光子與中間的有機分子急速交錯，從而形成了一種具備光-物質二元屬性的液態光。簡而言之，光子和有機分子中的電子相耦合便形成了液態光。
圖丨極化激元
該實驗中的這種耦合體叫做極化激元，是一種準粒子。它是由電磁波之間的強烈耦合以及帶有電偶極子或磁偶極子的激發作用中誕生。簡單來說，極化激元的形成也可看為一顆受激的光子。
極化激元-超流體的概念最早於2007年就被提出，當時的研究者就提出了假設，這類超流體的最大特點之一就是有可能在室溫下被實現。
圖丨低能和高能的其他測量成像對比，體現了超流體物態的形成
這次的突破將對未來的學術研究和實際應用產生巨大影響。在學術研究上，除了可以讓科學家在常溫下研究與玻色-愛因斯坦凝聚態相關的基本現象，液態光還可以為量子流體力學提供更好的研究對象。
至於其實際效用，Stéphane Kéna-Cohen說：「這次成果不但展現了有關玻色-愛因斯坦凝聚態的基礎性質，還能啟發我們設計未來的光子超流體設備，這些設備很可能實現能量上的零損耗」。
此前，在與該實驗原理相似的超導體研究中，製造接近零電阻的材料往往需要進行嚴格的極度冷凍處理。如果利用本次的液態光製備方法，工程師可以在室溫條件下生產出更高效的超導材料設備，例如雷射器、發光二極體、太陽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的能量損失。
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玻色-愛因斯坦凝聚態
近幾年來，科學家製造出來的新型物質種類越來越多，製備方法也正不斷走向常規化。無論是此前的金屬氫、時間晶體、負質量超流體，還是這次的液態光，這些充滿想像力的發現都利用了物質在極端情況下的奇異狀態。
其中，上文提到的玻色-愛因斯坦凝聚態便是其中之一，這種凝聚態的又稱為「物質的第五態」(共有六種物態，其他5個分別為氣態、液態、固態、等離子態、和費米子凝聚態)，遵從量子力學而非經典物理，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·玻色盯著一張愛因斯坦的照片
80 年前，愛因斯坦和印度物理學家玻色就基於量子力學預言了這一物態的存在，愛因斯坦甚至因為其太過奇特的性質而對自己的理論產生了懷疑。
該物態在試驗中出現是在 1938 年，科學家在2.17K的溫度條件下發現氦的同位素，氦-4突然從正常流體突然轉變為粘性為零的超流體。然而，當時人們還未把超流現象和愛因斯坦的理論聯繫起來。
直到 1995 年，科羅拉多大學的Eric Cornell和Carl Wieman才製造出來真正的玻色-愛因斯坦凝聚態物質——約兩千個銣原子的聚合體。
為了冷卻這堆原子，這兩位科學家也是夠拼的，首先用雷射技術強行降溫，然後在用磁場把較熱的原子一點一點削掉，最後才降到了100nK(百萬分之一度)的溫度，不過研究成果最終還是為他們贏得了2001年的諾貝爾獎。
圖丨1995年試驗：用雷射(紅色箭頭)和磁場(藍色箭頭)對銣原子(綠色區域)降溫，最終波色-愛因斯坦凝聚體在綠色區域出現
由此可見，這一回的常溫液態光簡直6到飛起!在不遠的未來，我們期待這種物態會呈現出更多神奇的物理特性，繼續為人類帶來意想不到的新發現。
神奇的超流體現象
零粘性、零摩擦、遇到障礙物不會產生皺紋……為什麼液態光會有這些不可思議的特質?這得從一種叫超流體的特殊現象說起。
超流體現象是液體或氣體極端條件下表現出粘性為零的現象。因為流動時不對周圍產生摩擦力，其機械能損失也為零，如果我們將超流體放置於環狀容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。而表現出該性質的物質被稱為超流體，此次製造出的液態光就是超流體狀態下的光。
圖丨如你所見，超流體流經障礙物時不產生任何波紋
超流體一般只存在於接近絕對零度的極端環境中，因為多數超流現象是玻色-愛因斯坦凝聚態的體現——當粒子聚合物冷卻至一定程度時，就會以最低能態凝聚，此時它們處於一種基于波粒二象性形成的半量子態，故費米子可以像玻色子一樣在狹小的空間內凝聚。
為了方便大家理解，就是一團粒子在很冷很冷的時候抱在一起了。他們抱團之後彼此重合、不分你我，仿佛許多粒小水滴聚合成大水潭一樣。如此一來，因為其高度相干的量子性質，流動時摩擦力和粘性消失也不足為奇了。
超流現象是玻色-愛因斯坦凝聚態的一種體現，但不是所有超流體都處於玻色-愛因斯坦凝聚態。與之相對應的還有費米子凝聚態，適用於對超導體的理論描述。
