由于有机半导体与液晶发生反应，研究人员需要确保所有测量都在样品组装完成后几小时内完成。

来自欧洲多家研究机构的合作研究，在激子-极化激元玻色-爱因斯坦凝聚体中观察到一种名为“超固态”的新量子物态。这种量子态是电可调的，并可在室温下观察到，为未来的量子光子器件铺平了道路。

早在20世纪60年代，物理学家就从理论上预言，超流体可以在类晶体结构中形成。超流体是一种非凡的物态，其黏度完全消失，流体可以无阻力地通过狭窄通道。它能在刚性晶体结构中存在，这似乎自相矛盾。

然而在2017年，人们已在超冷原子玻色-爱因斯坦凝聚体中通过实验观察到两者共存所产生的相——超固态。来自华沙大学、波兰军事技术大学、IBM苏黎世研究院和法国国家科学研究中心（CNRS）的一组研究人员走了另一条路线，想看看能否在室温下达到这种量子态。

利用光实现量子态

在他们的方法中，研究人员利用光学微腔内光与物质之间的强耦合来产生激子-极化激元——一种杂化准粒子。光学微腔中填充了专门设计的液晶，并涂覆了有机半导体，这使得即使在室温下也能实现耦合。

虽然这些准粒子仅持续几皮秒，但足以形成玻色-爱因斯坦凝聚体，随后表现得像量子超流体。当这种超流体转变为超固态时，可通过观察样品发出的规则间隔明亮光条纹来识别。

不过有趣的是，用于激发样品的每个激光脉冲都在不同位置产生亮条纹。“这是自发对称破缺的教科书式范例，”帕斯卡研究所（CNRS）教授纪尧姆·马尔皮埃什解释道。“理论预测超固态可以在若干等价态中作出选择，而这正是我们观察到的。”

该团队还同时观察到两种不同的有序形式：一种体现在偏振上，另一种体现在光强上。

具有挑战性的研究

由于有机半导体与液晶发生反应，研究人员需要确保所有测量都在样品组装完成后几小时内完成。重复实验意味着必须用新样品从头开始，这使得研究比预期更具挑战性。

IBM苏黎世研究院负责进行测量，并在波兰军事技术大学制造的光子结构上沉积有机半导体薄膜。

新闻稿称，尽管IBM苏黎世研究院多年来一直研究有机半导体薄膜，甚至在其中观察到玻色-爱因斯坦凝聚体，但这是他们首次使用液晶微腔。

大多数奇异量子态研究需要接近绝对零度的超低温。然而，这项研究表明，利用光子体系，这类量子态也可以在室温下观察到。

“我们的液晶微腔甚至可以在接近60°C的温度下工作，”波兰军事技术大学教授维克托·皮耶克补充道。

由于光学微腔可以调谐，且其性质可通过外部电压改变，它们使更实用的量子光子器件成为可能，也有助于研究光与物质的量子相。

研究成果发表于《科学进展》。