室温下制造出液态光：是第五态吗

伤我心太深

　　科学家次在室温下制造出液态光 科学家为之疯狂，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。

　　你见过液体的光吗?科学家可以在常温下制造出液态光

　　我们每天都能看都各种各样的光，光在真空中的传播速度约为每秒30万千米，是目前人类发现的最大速度。
　　科学家在实验室发现世界上存在液态的光：Bose-Einstein凝聚物(玻色-爱因斯坦凝聚态)，是爱因斯坦曾预言的一种新物态，科学家认为这是一种没有摩擦力和粘性的超级流体，这种凝聚物可以到达各种边封和角落等常规光达不到的地方。


　　这种物质既是超流体又是一种玻色-爱因斯坦凝聚物(Bose-Einstein condensate)。超流体的摩擦力和黏度均为零;玻色-爱因斯坦凝聚物则常被称为物质的第五形态，它可以环绕着物体流动、到达每个角落。

　　常态光总是以直线形式传播，如同波浪一般，偶尔像粒子。这就是你无法全方位地看到整个角落或物体的原因。然而，在极端条件下，光可以像液体一样传播，真正地围绕着整个物体流动。

　　玻色-爱因斯坦凝聚物吸引了众多物理学家，原因在于：一旦物质处于这一形态，传统的物理规则就会转变为量子物理学，物质属性开始更偏向于波的性质。
　　液态光形成于接近绝对零度的环境下，存在的时间仅为几分之一秒。

　　然而，在这项研究中，研究人员使用独特的光和物质混合物，在室温下制作出玻色-爱因斯坦凝聚物，其独特程度绝不逊于“科学怪人”。
　　本项研究的领导者是来自意大利CNR NANOTEC纳米科技研究的Daniele Sanvitto，他说：“我们在研究中发现了一个极为重大的现象——当使用极化激元这一光物质粒子时，超流体能够存在于室温环境中。”

　　创造极化激元涉及一些重大设备和纳米级工程。

　　科学家用两个超反射镜夹着一个厚度为130纳米的有机分子层，并使用35飞秒的激光脉冲对这一夹层进行冲击(1飞秒为千万亿分之一秒)。

　　“由于分子间存在电子，我们可以通过这种方式把光子的特性——如光子的有效质量及其高速——与强相互作用结合起来，”团队成员之一、来自加拿大蒙特利尔大学工学院的Stéphane Kéna-Cohen说。




　　



　　图 | 艺术家对液态光的想象动画




　　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 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。




　　



　　图丨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。




　　



　　图丨该项目的两位负责人Daniele Sanvitto 和 Stphane Kna-Cohen




　　研究团队的另一名负责人 Stphane Kna-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，表现出零摩擦和零粘性这两个特性。




　　



　　图丨随着能量的增加，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。




　　



　　图丨该实验的光学设置，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Stphane Kna-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。




　　



　　图丨极化激元




　　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现。




　　



　　图丨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，Stphane Kna-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。




　　- 延伸阅读：




　　玻色-爱因斯坦凝聚态




　　近几年来，科学家制造出来的新型物质种类越来越多，制备方法也正不断走向常规化。无论是此前的金属氢、时间晶体、负质量超流体，还是这次的液态光，这些充满想象力的发现都利用了物质在极端情况下的奇异状态。




　　其中，上文提到的玻色-爱因斯坦凝聚态便是其中之一，这种凝聚态的又称为物质的第五态(共有六种物态，其他5个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态)，遵从量子力学而非经典物理，也是本此研究中最重要的理论支柱。




　　



　　图丨1953年，萨特延德拉纳特玻色盯着一张爱因斯坦的照片




　　80 年前，爱因斯坦和印度物理学家玻色就基于量子力学预言了这一物态的存在，爱因斯坦甚至因为其太过奇特的性质而对自己的理论产生了怀疑。




　　该物态在试验中出现是在 1938 年，科学家在2.17K的温度条件下发现氦的同位素，氦-4突然从正常流体突然转变为粘性为零的超流体。然而，当时人们还未把超流现象和爱因斯坦的理论联系起来。




　　直到 1995 年，科罗拉多大学的Eric Cornell和Carl Wieman才制造出来真正的玻色-爱因斯坦凝聚态物质约两千个铷原子的聚合体。




　　为了冷却这堆原子，这两位科学家也是够拼的，首先用激光技术强行降温，然后在用磁场把较热的原子一点一点削掉，最后才降到了100nK(百万分之一度)的温度，不过研究成果最终还是为他们赢得了2001年的诺贝尔奖。




　　



　　图丨1995年试验：用激光(红色箭头)和磁场(蓝色箭头)对铷原子(绿色区域)降温，最终波色-爱因斯坦凝聚体在绿色区域出现




　　由此可见，这一回的常温液态光简直6到飞起!在不远的未来，我们期待这种物态会呈现出更多神奇的物理特性，继续为人类带来意想不到的新发现。




　　神奇的超流体现象




　　零粘性、零摩擦、遇到障碍物不会产生皱纹为什么液态光会有这些不可思议的特质?这得从一种叫超流体的特殊现象说起。




　　超流体现象是液体或气体极端条件下表现出粘性为零的现象。因为流动时不对周围产生摩擦力，其机械能损失也为零，如果我们将超流体放置于环状容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。而表现出该性质的物质被称为超流体，此次制造出的液态光就是超流体状态下的光。




　　



　　图丨如你所见，超流体流经障碍物时不产生任何波纹




　　超流体一般只存在于接近绝对零度的极端环境中，因为多数超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的体现当粒子聚合物冷却至一定程度时，就会以最低能态凝聚，此时它们处于一种基于波粒二象性形成的半量子态，故费米子可以像玻色子一样在狭小的空间内凝聚。




　　为了方便大家理解，就是一团粒子在很冷很冷的时候抱在一起了。他们抱团之后彼此重合、不分你我，仿佛许多粒小水滴聚合成大水潭一样。如此一来，因为其高度相干的量子性质，流动时摩擦力和粘性消失也不足为奇了。




　　超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的一种体现，但不是所有超流体都处于玻色-爱因斯坦凝聚态。与之相对应的还有费米子凝聚态，适用于对超导体的理论描述。