超固体

超固体（Supersolid），是处于超固态（物质的第五态）的物质，同时具有零粘度和类似于盐晶体中原子排列的晶体结构，具备超流体和固体的特性，可在极低温的偶极量子气体中人工生成。根据估算，一块乒乓球大小的超固态物质，其质量至少在1000吨以上。

1969年，超固体最早由俄罗斯理论物理学家 A．Andreev 和I．Liftshitz 提出。2004年，超固体存在的证据由Pennsylvania州立大学的Moses Chan和他的研究生Eum-Seong Kim所发现。2016年1月，爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态，从而生成“第五状态氢”，即超固态氢。2021年8月，奥地利和德国科学家合作，首次在偶极量子气体中实现二维超固体。2024年11月，因斯布鲁克大学研究团队在旋转的二维超固体中首次观察到量子涡旋。2025年3月，《自然》杂志报道，意大利国家研究委员会研究人员首次将光转化为超固体。

概念

超固体是处于超固态（物质的第五态）的物质。超固体是同时具有零粘度和类似于盐晶体中原子排列的晶体结构。

当物质处于140万大气压下，物质的原子就可能被“压碎”，电子全部被“挤出”原子，形成电子气体，裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，这就是超固态。一块乒乓球大小的超固态物质，其质量至少在1000吨以上。

研究历史

1969年，超固体最早由俄罗斯理论物理学家 A．Andreev 和I．Liftshitz 提出。他们认为，当温度接近绝对零度时，由玻色子组成的固体晶格中的空位将全部塌缩到相同的基态，即发生了萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚，这时的空位将变成为一个相干的实体，即超固体 。它可以在剩下的固体内不受阻碍地移动，就像超流体一样。

2004年，超固体存在的证据由Pennsylvania州立大学的Moses Chan和他的研究生Eum-Seong Kim所发现。他们观察装有氦－4样品的多孔玻璃盘的扭摆运动来记录氦－4样品的转动惯量，当温度低于200mk时，固态氦－4的转动惯量突然减少，暗示有2％的氦从样品中分离出来成为了超固体．他们的实验被另外三个实验小组所证实，这样就确立了超固体的客观存在。

2007年12月，加拿大阿尔伯塔大学物理学家约翰·比米什在英国《自然》杂志上发表文章称，他们通过实验发现，温度越低，冷却固态氦表现得越硬，在非常低的温度下，氦气可以转换成液体；而在特别高的压力下，液氦又可以转化成固体氦状态，此种发现是超固体现象研究取得的一项新突破。2016年1月，爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态，从而生成“第五状态氢”，即超固态氢。

2021年8月，奥地利和德国科学家合作，首次在偶极量子气体中实现二维超固体。相关研究成果发表在《自然》杂志上。将量子气体中的超固体状态从一维拓展到二维，这不仅是数量上的差异，而且决定性地拓宽了研究视野。例如，在二维超固体系统中，人们可以研究涡流是如何在几个相邻液滴之间的开口中形成的。

2024年，中国科学院大学教授苏刚、中国科学院物理研究所研究员孙培杰、中国科学院理论物理研究员所李伟、北京航空航天大学副教授金文涛等组成的联合研究团队，在钴基三角晶格量子磁性材料中，通过理论和实验研究结合，首次发现阻挫量子磁体中超固态（自旋超固态）的存在。同年1月11日，相关研究成果以Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2为题，发表在《自然》（Nature）上。

2024年11月，因斯布鲁克大学研究团队在旋转的二维超固体中首次观察到量子涡旋，为长期寻找的无旋超流体流入超固体的现象提供了确切证据，标志着调制量子物质研究迈出了一大步。相关成果发表在最新一期《自然》杂志上。

2025年3月，《自然》杂志报道，意大利国家研究委员会研究人员首次将光转化为超固体。研究人员将激光照射到一块具有狭窄脊状图案的半导体小块上，光与材料之间复杂的相互作用最终形成了一种名为极化子的混合粒子。脊状图案限制了这些“准粒子”的移动方式和可能具有的能量，从而使极化子形成了超固体。这一成就为探索物质的不寻常量子态开辟了新途径，标志着凝聚态物理学领域的一个重要里程碑。

特点

超固体是一种新型量子物质状态，它同时具备超流体和固体的特性。这种独特的物质状态可在极低温的偶极量子气体中人工生成。超固体是物质的矛盾相，它既有晶体态中原子规则排布的特征，又可以像超流体一样无摩擦流动。

影响与应用

超固体中存在量子涡旋的发现开辟了材料物理学的新视角，并可能具有革命性的应用。超固体及其超流体特性可用于开发新型超导体，在不损失能量的情况下传输电力，还可以模拟在天体物理环境中观察到的极端现象。

太阳和太阳系的大型行星的内核主要由高压形式的元素（超固体）构成。比如，木星和土星的内核被认为主要由这种形态的元素构成，对超固体的研究有助于基础科学和行星科学的发展。

参考资料

Nature｜首次用光创造出“超固体”-光子晶体极化激元.微信公众平台.2025-03-25

超固体旋转时呈现“量子涡旋”.中国科学院.2025-03-25

科学家首次将光转化为超固体.央视网.2025-04-27

全新物质形态成真:固体金属态氢证实存在.新浪科技.2025-03-24

量子气体中首次实现二维超固体.环球网.2021-08-19

科学家发现自旋超固态巨磁卡效应.中国科学院.2025-04-27

量子涡旋证实了超固体的超流性.中国核技术网.2025-04-27