凝聚態物理學領域不斷拓展我們對物質及其各種狀態的理解邊界。在最有趣和違反直覺的物質狀態中，就包括超固態。超固態最早在 20 世紀 60 年代被理論提出，代表了一種奇特的相，它結合了看似矛盾的固態和超流體的特性。超固態的特征在于其晶體有序性（固體的標志）以及無粘性流動的能力（超流體的定義特征）。

幾十年來，超固態仍然是一種理論上的好奇，實驗證據難以捉摸，并且經常存在爭議。然而，最近實驗技術和材料的進步已經明確地觀察到超冷原子氣體中的超固態。最近，發表在《自然》的一篇開創性論文，報告了在一個全新的系統中實現超固態：填充有激子-極化子的光子晶體波導。這一成就不僅擴展了超固態研究的領域，而且為探索這種奇異狀態的基本物理學開辟了新途徑。

理解超固態：一種反常的物質狀態

超固態的概念挑戰了我們對物質狀態的經典直覺。固體的典型定義是其剛性結構，其特征是晶體格子，其中原子或分子以周期性順序排列。這種剛性結構阻止了它們的自由流動。另一方面，超流體是量子流體，在臨界溫度以下表現出無摩擦流動。這種非凡的特性源于玻色-愛因斯坦凝聚，其中宏觀數量的玻色子占據相同的量子基態，導致長程相干性和無耗散流動。超固態提出了一種狀態，其中這些看似相互排斥的特性可以共存。在超固態中，組成粒子以晶體格子有序排列，但其中一部分粒子可以在晶格中無阻力地移動，表現出超流動性。

超固態的理論基礎是由亞歷山大·安德烈夫和蓋伊·切斯特在 20 世紀 60 年代后期獨立奠定的。他們提出，如果晶體固體包含空位或間隙的玻色-愛因斯坦凝聚體，則可以表現出超流動性。然而，在傳統固體氦-4（最有可能的候選者）中尋找超固態的實驗證明極其具有挑戰性，并且多年來產生了模棱兩可的結果。直到 2000 年代中期，超冷原子氣體中才出現了超固態的確鑿實驗證據，特別是在偶極玻色-愛因斯坦凝聚體和光學晶格中。這些實驗利用超冷原子系統提供的精確控制來設計和觀察超固態行為，證實了理論預測并重振了該領域。

光子晶體極化子凝聚體：超固態的新型平臺

最近在光子晶體極化子凝聚體中實現的超固態，標志著與傳統凝聚態系統和超冷原子氣體的重大背離。極化子是準粒子，它是由半導體微腔或波導中光子和激子（電子-空穴對）的強耦合產生的。它們繼承了光和物質的特性，表現出輕質量和強相互作用，使其成為在相對較高的溫度下研究宏觀量子現象的理想候選者。當達到高密度的極化子時，它們可以經歷玻色-愛因斯坦凝聚，形成一種稱為極化子凝聚體的宏觀量子態。這些凝聚體表現出類似超流體的特性，包括長程相干性和流動能力。

光子晶體是周期性光學結構，可以控制和操縱光的流動。通過引入缺陷或仔細設計光子晶體結構，可以創建限制模式，將光捕獲在晶體內部。在極化子凝聚體的背景下，光子晶體可以充當增強光-物質相互作用和設計極化子凝聚體自身特性的腔體。

發表在《自然》上的開創性工作利用一維光子晶體波導創建了一個可以出現超固態的系統。他們設計中的一個關鍵要素是使用拓撲束縛態連續譜 (BiC)。 BiC 是嵌入輻射模式連續譜中的特殊局域態，這意味著它們在理論上是完全受限的，并且不會泄漏到周圍環境中。在這種光子晶體波導中，BiC 提供了一種捕獲光并減少損耗的機制，這對于實現極化子凝聚和觀察像超固態這樣的精細量子現象至關重要。拓撲 BiC 的使用進一步增強了這些受限態抵抗缺陷和無序的魯棒性，使系統更加穩定可靠，可用于實驗研究。

光子系統中超固態的實驗證據

研究人員通過仔細分析凝聚體的空間密度分布，實驗證明了超固態在其光子晶體極化子凝聚體系統中的涌現。他們觀察到凝聚體內部自發產生的密度調制，這表明平移對稱性被破壞，這是超固態中晶體結構的標志性特征。這種密度調制源于極化子之間的長程相互作用與光子晶體晶格提供的底層周期性勢之間的相互作用。密度調制的出現，結合極化子凝聚體已知的超流體特性，為在該系統中實現超固態提供了強有力的證據。

為了進一步證實觀測到的狀態的超固態性質，研究人員可能進行了額外的測量，以探測凝聚體的超流體特性，例如測量其無阻力流動能力或其對旋轉的響應。雖然這些測量的具體細節將在完整論文中找到，但密度調制的觀察是確立超固態相的關鍵一步。

意義和未來方向

在光子晶體極化子凝聚體中實現超固態是一項重大突破，具有深遠的影響。首先，它將研究超固態的材料平臺從超冷原子和氦-4擴展到光子學領域。這為在具有不同相互作用強度、維度和實驗可及性的系統中探索超固態物理學開辟了新的可能性。光子系統具有易于操作、動力學更快以及可能與現有光子技術集成的優勢。

其次，在驅動耗散、非平衡系統（如極化子凝聚體）中觀察到超固態，引發了關于非平衡環境中超固態性質的基本問題。大多數關于超固態的理論和實驗研究都集中在平衡系統上。探索驅動耗散系統中的超固態可能會對非平衡動力學、量子相干性和涌現物質相之間的相互作用產生新的見解。