人类首次在室温下造出“液态光”！科学家在物质第五态上再突破

 网络综合

2017-06-23

如果光变成和水一样的液体，它会发生什么？这并不是一个脑洞。近日，科学家们首次在室温下制造出液态光，让光像水一样在某个物体周围流动、弯曲和环绕。

此次突破由意大利CNR纳米技术研究所和加拿大蒙特利尔理工学院的科研人员共同完成，相关论文发表在 2017年6 月 5 日的《自然·物理》上。该研究的成功实施为量子流体力学的进一步发展铺平了道路，也可能为室温超导的实现方法以及新型电子元件提供灵感。

上图为一般液体碰到障碍的反应；下图为液态光碰到障碍的反应

其实，在某些特定情况下，光的确可以变成液体，成为一种超流体，但是，要实现这种效应需要非常苛刻的条件，因为液态光属于玻色-爱因斯坦凝聚态——这种凝聚态的又称为“物质的第五态”（共有六种物态，其他五个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态）。一般情况下，类似的物态只能在接近绝对零度（零下摄氏273度）的低温下出现。

团队首席科学家、来自意大利 CNR 纳米技术研究所的 Daniele Sanvitto说：“此次工作中最不同寻常的是，我们证明了超流体现象也可以在室温的环境条件下实现”。 

该项目的两位负责人Daniele Sanvitto 和 Stéphane Kéna-Cohen

研究团队的另一名负责人 Stéphane Kéna-Cohen 则描述了液态光一个更为戏剧化的效果：不同于一般液体，液态光遇到障碍只会平滑地绕过去，不会产生任何波纹和漩涡，

随着能量的增加，流体在经过物质时逐渐有了超流体的性质。

四组对比图分别描述的是电磁极化子的分布、强度、动量、和密度

不难看出，液态光的制备方法与金属超导的实现方法有相似之处：两者都只能在极其低温的条件下才能被观察到，而且持续的时间非常短。 

该实验的光学设置，两个镜片之间存在一层极薄的有机分子片

那么，这一次科学家是如何在室温条件下制造出液态光的？据Stéphane Kéna-Cohen介绍，为了达到这个目的，他们把一个 130 纳米厚的有机分子切片放在了两个反射率极高的镜片之间，形成一种类似三明治的结构。

然后，研究人员用周期为 35 飞秒的激光脉冲轰击这个系统，使得光子在镜片间来回弹射。在这个过程中，光子与中间的有机分子急速交错，从而形成了一种具备光-物质二元属性的液态光。简而言之，光子和有机分子中的电子相耦合便形成了液态光。

极化激元

该实验中的这种耦合体叫做极化激元，是一种准粒子。它是由电磁波之间的强烈耦合以及带有电偶极子或磁偶极子的激发作用中诞生。简单来说，极化激元的形成也可看为一颗受激的光子。

极化激元-超流体的概念最早于2007年就被提出，当时的研究者就提出了假设，这类超流体的最大特点之一就是有可能在室温下被实= 

低能和高能的其他测量成像对比，体现了超流体物态的形成

这次的突破将对未来的学术研究和实际应用产生巨大影响。在学术研究上，除了可以让科学家在常温下研究与玻色-爱因斯坦凝聚态相关的基本现象，液态光还可以为量子流体力学提供更好的研究对象。

至于其实际效用，Stéphane Kéna-Cohen说：“这次成果不但展现了有关玻色-爱因斯坦凝聚态的基础性质，还能启发我们设计未来的光子超流体设备，这些设备很可能实现能量上的零损耗”。

此前，在与该实验原理相似的超导体研究中，制造接近零电阻的材料往往需要进行严格的极度冷冻处理。如果利用本次的液态光制备方法，工程师可以在室温条件下生产出更高效的超导材料设备，例如激光器、发光二极管、太阳能电池板和光伏电池等，而且这些装置可以在很大程度上避免光子跟障碍物接触带来的能量损失。