本文由 莫潇羽@无忆研习社(www.wuyi.wiki) 撰写,转载请注明出处。

快速摘要

最近全网刷屏的所谓"科学家把光冻住了",其实是两件被网友混为一谈的不同实验:一类是把光转化成同时具备晶体结构和无摩擦流动能力的"超固体"形态(2025—2026 年连续两次登上 Nature 系列期刊);另一类是把光的传播完全停下来、并把信息保存在材料里很长时间(从 1999 年的 17 米每秒,一路打到 2021 年中国团队做出的 1 小时记录)。这两类实验都很硬核,但都不是"用手能摸到的光冰棍",而是发生在纳米尺度半导体或低温晶体里的量子态实验,直接应用还在路上。

下面这篇长文,我会把这两类突破的来龙去脉、原理、实验装置、与现实之间的距离全部捋一遍,新手也能看懂。想看完整拆解,往下翻。

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一、最近又刷屏的"冻住光",到底在说什么

不知道你有没有刷到这样的视频:配音腔很重,字幕一行行甩出来,"科学家成功把光冻成了固体""光被定格在玻璃里再也不动了""人类终于做出了光剑的雏形"。

视频不会告诉你的是,这一波热度的源头其实是两件互相独立的事:一是 2025 年初意大利团队在 Nature 上发的"光的超固体"论文;二是 2026 年初美国伦斯勒理工学院团队把这件事做到了室温,登上 Nature Nanotechnology。再往前翻几年,中国科学技术大学的团队在 2021 年把光存储时间做到了 1 小时,这件事也常被剪进同一类"冻住光"的视频里。

但严格说,"光的超固体"和"光存储"是两回事:

• 前者是把"光"和"半导体里的电子激发态"耦合成一种新粒子,这种新粒子集体凝聚后,呈现出"既像晶体、又能无摩擦流动"的奇怪行为。
• 后者是把入射光的能量和相位信息转移到晶体里的原子自旋上,光本身的传播被中断,等到需要的时候再用激光把信息还原成光。

第一种是改变了光的物质形态,第二种是把光的信息打包暂存。被网友冠以"冻住光"的同一句话背后,藏着两套完全不同的物理。

我自己花了好几个晚上把相关的论文和报道翻了一遍才把脉络捋清,所以这篇文章准备一次性把这两条线都说透,顺便把传播过程里被歪曲的细节挨个还原。看完这篇,再有人发"冻光视频"过来,你也能一句话指出对方说的到底是哪一种,以及哪些是科学事实、哪些是自媒体加戏。

二、把光的本性先说清楚:它为什么"难冻"

要看懂后面的实验,得先有几个最基础的物理常识打底。我把它们尽量用人话说一遍,概念第一次出现都附白话解释。

2.1 光跑得非常快,而且是"自由的"

真空里的光速大概是 299,792,458 米/秒,约等于 30 万公里每秒。这个速度有多离谱?从地球到月球大约 38 万公里,光只要 1.3 秒就能跑完。

更关键的是,光不像水或空气那样"被关在某种容器里慢慢传"。在真空里,光是电磁场自身的波动——电场和磁场一波一波地接力,根本不需要介质。这也是为什么"让光停下来"这件事在直觉上特别荒谬:它没东西可以摩擦,自然也没东西能让它"慢下来"。

2.2 光既是波,也是粒子

中学物理就告诉过你"光的波粒二象性"。粒子那一面叫光子(photon)——一份份不可再分的能量小包;波那一面叫电磁波——电场磁场的周期振荡。

到了量子层面,两者其实是一码事的两种描述方式。你看到的"一束光",可以理解成无数光子组成的群体,每一个都有自己的能量、动量、偏振方向。

2.3 一束光想"停下来",其实有两条路

物理学家在思考"冻住光"这件事时,主要走两条思路:

• 改变介质,让光的传播速度被压到极低。光在真空中跑得快,在玻璃里就慢一点(折射率 1.5 左右),在某些特别设计的量子介质里能慢到比你走路还慢。这条路走到极致,就是 1999 年 17 米/秒的实验。
• 干脆把光的信息塞进物质,光本身停在原地"消失"了,等需要的时候再放出来。这是"光存储"的思路,代表是 2013 年德国 60 秒和 2021 年中国 1 小时的两项工作。

而"光的超固体"是另一条更新的路:不再去碰单个光子,而是让光和物质杂交出一种新粒子,再去研究这种新粒子的集体行为。本质上它已经不是"原汁原味的光"了,而是物理学家定义出来的新东西。

这三条路的区别,后面会一点点展开。先在脑子里建立一个共识:所谓"冻光",目前没有任何一项实验是把空气里的可见光抓在手心里,做成能摸到的"光冰棍"。这件事在物理上还看不到任何可行性。

2.4 为什么"介质能让光慢下来"听起来很玄,其实并不

很多人第一次听到"光在玻璃里只有 20 万公里每秒"时会一脸懵:光不是一种基本电磁波吗?它怎么会被一坨玻璃拖慢?

直觉上的解释是这样:光进入介质之后,并不是"原本那个光子"被减慢了,而是这个原始光子被原子吸收、再辐射、再吸收、再辐射的过程不断发生。每一次"被吸收—被发射"都有一段时间延迟,无数次延迟累加起来,从宏观上看就是"光在玻璃里变慢"。光本身的"基本速度"——光子在两次相互作用之间的飞行速度——仍然是真空光速,变慢的是"群速度"。

那 EIT 这种量子相干技术做了什么?它让原子在被探测光"吸收—再辐射"的循环里更加规则,而且让吸收-发射的频率范围被压缩到一个非常窄的窗口里。在这个窗口里,光的折射率随频率剧烈变化,群速度于是被推到极低的水平。1999 年的 17 米每秒,本质上就是把"吸收—发射"过程压到非常慢、非常规整的极限。

理解了这一层,后面"用 EIT 把光直接停下来"就不会显得那么超自然了——它只是把这个"吸收-发射"循环推到极端:让光的能量信息暂时全部寄存在原子的内部状态里,等需要的时候再把它放出来。

三、第一类突破:光的"超固体"——会流动的"光冰"

这是 2025 年到 2026 年这两年最受关注的量子物理新闻之一。

3.1 什么叫"超固体"

先把"超固体(supersolid)"这个名词解释清楚。它是物理学家在上世纪 60 年代提出来的一种理论上的物质相,同时具备两个看起来互相矛盾的性质:

特性	像谁	表现
周期性密度结构	像固体	粒子自发排成有空间周期性的"晶格"
无摩擦流动	像超流体	整体可以无粘滞地流动

注意,这里说的"超流体(superfluid)"也不是日常意义的液体。它是低温下出现的另一种量子态,典型代表是液氦-4 冷到 2.17 K 以下时表现出的零粘滞性——可以沿着杯壁自己爬出来,这事在初中物理实验里没法解释,得靠量子力学。

超固体 = 晶体结构 + 超流体性质。打个不太严谨的比方,你可以把它想成"一块同时长着冰晶骨架、内部却像水一样能丝滑流动的冰"。这种状态在常温下不可能存在,过去几十年只在超低温的玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)里被勉强做出来过,而且都是用原子做的,没人用光做出来过。

直到 2025 年。

3.2 2025 年 3 月,光的超固体首次被做出来

2025 年 3 月 5 日,Nature 在线发表了一篇标题为 Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates 的论文,DOI 是 10.1038/s41586-025-08616-9。这是历史上第一次,人类把"光"做成了超固体形态。

完成这项工作的,是意大利 CNR Nanotec(意大利国家研究委员会纳米技术研究所,位于莱切)主导的一个国际团队,合作方包括奥地利因斯布鲁克大学、意大利帕维亚大学、特伦托大学的 Pitaevskii BEC 研究中心,以及美国普林斯顿大学和劳伦斯伯克利国家实验室。论文的第一作者是 Dimitrios Trypogeorgos,通讯团队负责人是 Daniele Sanvitto。

关键不是研究者名单(这些信息你随手 Google 就能查),关键在于他们到底做了什么。

整个实验的核心,可以拆成下面这条路径:

半导体材料(GaAs/AlGaAs 异质结构)
        │
        ▼
做出"光子晶体波导"——一种把光局域在很薄一层里的结构
        │
        ▼
用激光泵浦
        │
        ▼
让光与半导体里的电子-空穴对(激子)发生"强耦合"
        │
        ▼
生成一种半光半物质的新粒子:激子-极化子(polariton)
        │
        ▼
激子-极化子在特定条件下集体凝聚 → 凝聚态(类 BEC 的状态)
        │
        ▼
凝聚体自发形成空间周期性的密度调制 + 保持相位相干流动
        │
        ▼
得到光的"超固体"

最后那一步实际上是两件事同时发生:一边是密度形成稳定的条纹,一边是整个体系仍能像超流体那样无摩擦地集体演化。这两件事同时成立,正是"超固体"这个词的定义。

研究团队主要靠测量密度调制的精细结构和测量条纹之间的相位关系来证明确实发生了超固体相变。这些细节涉及到偏振光显微术、k 空间动量分布测量等技术细节,这里不展开。

3.3 一定要搞清楚:这不是"把可见光本身冻成了固体"

这是科普传播过程中最容易被歪曲的一点,我专门拎出来强调:

• 被冻住的不是普通可见光,而是上面流程图里那个"半光半物质"的杂交粒子——激子-极化子。
• 它发生在纳米尺度的半导体结构里面,你拿手电筒照一块半导体,出不来超固体。
• 整个实验需要低温环境和高功率激光,不是常温常压下的现象。

那它为什么还能被叫做"光的超固体"?因为激子-极化子在性质上绝大部分像光:它从半导体里释放出光子就能被探测到,它的色散关系也带着光子的特征。物理学家用"光"来命名它,是一种合理的、但又有点宽容的叫法。理解了这一点,后面所有的"室温光超固体"的说法你就不会再被吓到了。

3.4 2026 年 3 月,美国 RPI 把它做到了室温

意大利团队做出第一例光超固体的时候,实验装置需要低温环境。这就让"实用化"几乎遥不可及。

仅仅过了一年,2026 年 3 月,美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute,以下简称 RPI)的 Wei Bao 课题组,在 Nature Nanotechnology 发了一篇论文:Hybrid perovskite–nanograting photonic architecture enables supersolidity at room temperature,DOI 是 10.1038/s41565-026-02141-0。这次的标题里就直接写了"room temperature"——室温下的光超固体。

简单解读一下他们的核心思路:

• 把卤化物钙钛矿(halide perovskite)单晶和纳米光栅结合在一起,做成一种新型光子结构。
• 钙钛矿这种材料有一个非常香的性质:它的激子结合能很高,可以让激子-极化子的强耦合一直保持到室温,而不像 GaAs 那样必须低温才行。
• 在这套装置里,泵浦光强度一旦超过阈值,体系会先形成"束缚在连续区"(BIC)态的极化子凝聚体,再因为光参量振荡(OPO)进入两个对称的旁瓣模式,从而自发产生条纹状的一维空间周期结构——也就是超固体相。

我用一段伪代码把它的物理流程再描一遍,方便后端工程师同学一眼看懂:

# 室温光超固体的"伪程序"逻辑(只为示意,不可运行)
material   = "single_crystal_halide_perovskite"
structure  = "exciton_polariton_nanograting"
pump_power = 0  # 起步

state = "vacuum"
while True:
    pump_power += step
    if pump_power < threshold_1:
        state = "weak_polariton_lasing"
    elif pump_power < threshold_2:
        state = "BIC_polariton_condensate"
    else:
        # 这一阶段开始发生空间对称破缺
        state = "room_temp_supersolid"
        # 测得:周期性条纹密度 + 相位相干流动
        break

意义有几层。第一,室温本身意味着这种量子态以后可以在普通实验室、甚至工业级设备上被持续研究,而不只局限于配备稀释制冷机的国家级实验室。第二,钙钛矿是一种已经在太阳能电池和发光二极管里大量使用的材料,这意味着相关器件未来有望以更接近"产品"的形态出现,而不只是物理玩具。第三,极化子超固体能产生空间结构可调的相干光发射,可能孕育新型激光器和光子芯片设计。

我看完这两篇论文的感受是:2025 年开了一个口子,2026 年把这个口子推到了室温。如果接下来一两年内有团队能进一步把它做到电控、做到可集成,事情就更有意思了。

3.5 一张表把两次突破并列对比

维度	2025 年意大利团队	2026 年 RPI 团队
期刊	Nature	Nature Nanotechnology
材料	砷化镓基半导体(GaAs/AlGaAs)	卤化物钙钛矿单晶 + 纳米光栅
温度	低温环境	室温
系统类型	驱动-耗散(非平衡)极化子凝聚	室温极化子 + 光参量振荡
关键标志	首次在光学体系做出超固体	首次把光超固体做到室温
短板	必须低温,实用化远	仍需精密纳米结构和激光泵浦

四、第二类突破:把光按下"暂停键"——光存储与量子 U 盘

切到另一条故事线。和"超固体"那条路完全不同,这条路从 1999 年起步,目标始终明确:让一束光"停下来"且信息不丢。

4.1 从 17 米每秒到完全停止:这是一条慢慢推进的赛道

我用一张时间线把这条故事线串一下,先建立全局视角:

timeline
    title 让光"慢下来"和"停下来"的关键里程碑
    1999 : 哈佛 Lene Hau 团队 : 钠原子 BEC + EIT : 光速降到 17 米/秒
    2001 : 哈佛 Lene Hau 团队 : 首次完全停止光脉冲 : 存留时间极短
    2013 : 德国达姆施塔特大学 : 掺镨硅酸钇晶体 + EIT : 光存储 60 秒
    2021 : 中国科学技术大学 : 掺铕硅酸钇晶体 + ZEFOZ : 光存储 1 小时,刷新世界纪录

按时间顺序,几个关键里程碑是这样:

• 1999 年,丹麦裔女物理学家 Lene Hau(后来成为哈佛大学物理学教授)和她的合作者在 Nature 上发了一篇标志性论文:Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas。他们用钠原子 BEC + 电磁感应透明效应(EIT)把光的群速度压到了 17 米每秒——比你骑自行车还慢。
• 2001 年,Hau 团队又把这件事推进一步:把光脉冲完全停下来,信息暂存在原子的相干叠加态里,过一段时间再用控制光读出来。这是人类首次完整意义上的"停光"。
• 2013 年,德国达姆施塔特大学的团队改用掺镨硅酸钇晶体(Pr³⁺:Y₂SiO₅),把光存储时间推到 60 秒 的水平,创下当时的世界纪录。从原子云搬到固体晶体里是一次重大跃迁,因为晶体更容易集成、操作上更稳。
• 2021 年 4 月,中国科学技术大学郭光灿院士团队的李传锋、周宗权研究组,在 Nature Communications 上发表论文,把光存储时间一举推到 1 小时,刷新了 2013 年德国团队 60 秒的世界纪录。莫潇羽@无忆研习社第一次读到这篇报道时,直观印象是"60 秒到 3600 秒,这跳跃也太狠了",这中间到底改了什么,后面单独拆。

补充几个传播过程中容易被略过的细节,帮你建立更立体的认知。

1999 年那个 17 米每秒的实验,并不是"先有想法、再去做",而是 Lene Hau 在多年研究 BEC 的过程中"顺势"发现:既然超低温下原子能进入相干量子态,那 EIT 自然就能在这种体系里被推到极限。她当时的样品是密度大约 (8\times 10^{13}) 个原子每立方厘米的钠原子云,温度被冷到纳开尔文级别。打进去的探测光,从外面看起来"在样品里走了大约 0.2 毫米花了将近一毫秒",换算下来就是 17 米每秒——比你慢跑还慢。

2001 年完全停光的工作则更进一步:在控制激光被关闭的那一瞬间,探测光的电磁场振荡"停"了,但所有的相位、振幅信息以原子相干叠加态的形式被保存了下来。等到再打开控制激光,原本的脉冲会几乎原样地继续传播下去。这是历史上第一次实证"光的信息可以被介质暂存,再被还原"。

从原子云到掺杂晶体,是这条技术路线的关键升级。2013 年德国团队选择掺镨硅酸钇晶体的原因,本质上是工程上的:

• 原子云需要在真空腔里通过激光冷却维持,装置庞大,稳定性差;
• 掺杂晶体本身就是固体,稀土离子像被"封装"在晶格里的孤立量子比特,环境扰动更小;
• 晶体可以做小、做集成,跟未来的"芯片化量子器件"路线更兼容。

理解了这条工程演进的逻辑,你就能明白为什么 2013 年之后这条赛道的主战场都搬到了固体晶体里——也明白为什么 2021 年这次 1 小时记录,是稀土掺杂晶体路线积累多年后的集中爆发。

4.2 EIT 是什么:用人话讲明白电磁感应透明效应

要看懂 1999、2001、2013 年的所有突破,绕不开一个核心物理机制——电磁感应透明效应(Electromagnetically Induced Transparency,简称 EIT)。

它的核心思想可以这样讲:

• 某种原子或晶体,对某个频率的光本来是"不透明"的——光打过去会被吸收掉,出不来。
• 你同时再打一束控制光(coupling laser),这束控制光会让原子的量子能级之间出现相干叠加。
• 这种相干叠加会让原子"看不见"前面那束探测光,光于是就能在"透明窗口"里通过——这就是"透明被诱导出来了"的意思。
• 更妙的是,在这个透明窗口里,光的群速度会被压到极低,而且光的能量和相位信息会被部分转移到原子的低能态自旋上。

我用一个不太严谨但形象的类比:

想象你拿着一根撑杆要冲进一道密集的人群里。直接冲,撑杆会被人挤断,你也过不去——这就是吸收。
但如果同时有人指挥这堵人群一起"侧身让一下",每个人都做一个特定的步伐,你拿着撑杆就能慢慢从缝里钻过去——这就是 EIT。
而且如果指挥者突然让所有人"原地站住",撑杆就被卡在人群里暂停了——这就是停光。

把这个比喻翻译回物理:

入射探测光(probe)             → 想要被存储的光
控制激光(coupling)            → 操控原子能级的"指挥棒"
原子的相干叠加态(dark state)  → 能让光通过的"透明通道"
关闭控制激光                  → 光被卡住,信息存进原子自旋
重新打开控制激光              → 信息被还原成光,继续传播

整个流程的"操作步骤"我再用伪代码写一遍:

def freeze_light(probe_pulse, atoms):
    # 1. 用控制激光让原子云对探测光"透明"
    atoms.apply_coupling_laser(on=True)

    # 2. 让探测光脉冲在透明窗口里慢速通过原子云
    atoms.absorb_into_spin_coherence(probe_pulse)

    # 3. 关闭控制激光,光的信息被"冻"在原子自旋里
    atoms.apply_coupling_laser(on=False)
    wait(duration)  # 这里就是所谓的"存储时间"

    # 4. 再次打开控制激光,把信息重新发射成光
    atoms.apply_coupling_laser(on=True)
    return atoms.emit_stored_pulse()

到这里你应该看明白了:所谓"停光",停的不是光子本身,而是把光的相位和振幅信息暂时寄存到原子的量子态里去了。光"消失"的瞬间,信息以另一种形式仍然存在于材料里。

4.3 2021 年中国团队 1 小时光存储,具体改了什么

回到 2021 年这个里程碑。它把记录从 60 秒一口气推到了 3600 秒,一夜之间提升了 60 倍。靠的不是一个魔法点,而是一组组合拳。

按公开论文和媒体报道,关键改动有这么几条:

• 材料从掺镨硅酸钇换成了掺铕硅酸钇(Eu³⁺:Y₂SiO₅)。掺镨的体系理论上限是 1 分钟,掺铕则能做到一个月量级,材料本身就支持更长寿命。
• 使用 ZEFOZ 磁场(一阶塞曼效应为零的特殊磁场点)。在这个特殊磁场下,原子核自旋对外界磁场涨落的敏感度大大降低,自旋相干寿命因此被极大延长。
• 结合"原子频率梳"技术(AFC),配合自旋激发态、自旋保护脉冲等手段,让光的相位信息能在自旋里稳定存活长达 1 小时。
• 保真度维持在 96.4 ± 2.5%。这点很关键——能存得久不算什么,存得久还能读得对才是真本事。

整个实验流程可以这么概括:

[激光脉冲]
   ↓ 光学激发
[原子的光学激发态]
   ↓ 转化
[原子的核自旋激发态] ──存储 3600 秒──→ [核自旋仍保持相干]
   ↓ 读出
[再次释放为光脉冲]

为什么这项工作意义这么大?因为光存储如果只能做到几十秒甚至几分钟,它就只能用于短距离量子通信中继。一旦把它推到小时量级,就有机会实现一种叫做"量子 U 盘"的玩意——把量子信息封装在便携式存储设备里,借助高铁、飞机来运输,从而绕开光纤损耗,完成跨大洲、跨大洋的量子信息分发。这是真正意义上"硬件级"的量子互联网基础设施雏形。

莫潇羽@无忆研习社读到这里时被震了一下,因为这不是一个 1.0 到 1.1 的小进步,而是一个把"小时级量子 U 盘"从科幻话题变成实验事实的关键拐点。

4.4 60 秒、1 小时、6 小时:为什么时间越长越难

很多读者读到"中国团队把光存储到 1 小时"会觉得不过瘾——为啥不直接做到几天几个月?这就涉及到一个普遍的量子力学规律:相干时间是被环境噪声拖死的。

你可以把每个原子的量子相干态想象成一个陀螺:

• 陀螺转得稳,信息就保得住。
• 但只要外部有一点点风、桌面有一点点震、温度有一点点变化,陀螺就会越转越歪,最终倒下。
• 当陀螺彻底失去原本的姿态,你存进去的信息就读不出来了。

光存储的全部努力,其实就是在给这只陀螺挡风:换更安静的材料(掺铕)、加更稳的磁场(ZEFOZ)、设计更巧妙的脉冲序列(动态去耦合),每一项都只是把外界扰动再削弱一些。

理论上掺铕硅酸钇晶体的自旋相干极限可达 6 小时,2015 年澳大利亚国立大学的工作就在材料这一面摸到过这个上限。而光存储要把"光的相位信息"完整地写进去并保留住,比单纯保留自旋相干更难一些,所以实际工程做到 1 小时已经是阶段性的极致表现。

五、把两件事放一起看:一张速查表

讲了这么多,我把"光的超固体"和"光存储"这两类突破做成对照表,方便你在朋友群里一图区分:

对比维度	光的超固体	光存储/停光
核心做的事	把光转化为同时具备晶体结构和无摩擦流动能力的新物质相	把光的传播停下来,信息暂存在原子或晶体里
被冻住的"光"	是激子-极化子(半光半物质)	是光脉冲的相位与振幅信息
主要技术路线	半导体微纳结构 + 强耦合 + 凝聚	原子云/掺杂晶体 + EIT + 自旋存储
关键依赖	激子-极化子凝聚、相干性	EIT 相干态、长寿命自旋
时间维度	凝聚态本身稳定一段时间	存储时间从毫秒到 1 小时不等
温度要求	2025 年低温;2026 年室温	普遍需要低温(超冷原子或液氦温度)
主要应用方向	新型激光、光子芯片、量子模拟	量子通信、量子中继、量子 U 盘
是不是"光剑"	完全不是	完全不是

最后那一行不是开玩笑。在自媒体短视频里,这两类工作经常被打包剪进同一段"人类终于做出光剑"的视频,但它们都不是 visible 的"实物光",更不是能挥来挥去的发光物体。

六、几个被反复传错的细节,挨个还原

这一节我想把传播过程中被歪掉的部分都拎出来,挨个浇一盆冷水。它不是要泼实验本身的冷水,而是要让你接受一个事实:科学突破很硬核,但短视频文案不是论文。

6.1 "光被冻成冰棍悬在半空,科学家用手能摸"——错

完全错。无论是超固体还是光存储,所有"光被冻住"都发生在纳米尺度的半导体结构或晶体内部,你拿手是摸不到的。所谓"冻光"装置,大多是一块巴掌大的样品、几只激光器、几台真空腔、再加上一堆低温制冷设备,长得跟你想象中的"光剑"完全两码事。

6.2 "再也不用低温了,室温就能做"——只对一半

2026 年 RPI 团队确实把光的超固体做到了室温——但这特指那种特定的极化子超固体。对于"光存储/停光"这条线,目前的高水准实验仍然普遍依赖低温环境:超冷原子云需要纳开尔文级别(纳米开尔文,约为零下 273.149 摄氏度)的温度,晶体存储则需要液氦温度(几开尔文)。室温化是个长期方向,但远没到全面实现的程度。

6.3 "光被永久冻住"——错

无论哪一类实验,被"冻住"的状态都是暂时性的。

• 极化子超固体的存活时间受极化子寿命限制,极化子本身是个准粒子,会衰减成光子从样品中辐射出去。
• 光存储的存活时间受原子自旋相干寿命限制,过了存储时间,信息要么被读出、要么彻底失真。

到目前为止,人类没有任何手段能让一个量子态无限期稳定下去。即使有朝一日能做到,也只能是"非常长",不能是"永远"。

6.4 "光变成了真正的物质"——概念混乱

超固体属于一种量子态(quantum phase of matter),不是我们日常意义上的物质实体。激子-极化子是一种准粒子(quasi-particle),它不是独立存在于真空中的稳定粒子,而是定义在某种介质里、由光和物质耦合产生的一种集体激发模式。离开了那块半导体材料,它就不再是它自己。

把"激子-极化子超固体"说成"光真的变成了固体物质",是科普传播过程中常见的过度简化。准确说法应该是:光在特定介质里通过强耦合产生的准粒子,呈现出超固体相的特性。

6.5 "光剑下个月就能造出来"——别想太多

最后说点泼冷水的话。

光剑这种东西,既要光自带边界、又要能在空气里发光、还要碰到东西能割开。这三条要求在现有物理框架里没有一条站得住:

• 光在空气中本身没有边界,你不能让它"长到某个长度就自己停下"。
• 即便用某种全息或等离子体技术做出可见的发光柱,它也不会拥有切割实体的能力。
• 实验室里的"冻光"装置体积巨大,功耗惊人,根本无法塞进剑柄。

短视频可以借光剑的概念吸引点击,但距离 Lucasfilm 的设定还差着十几代技术。我对前沿物理一直抱有敬意,也正因为如此,我希望把它说得尽量准确,而不是去蹭一个根本不成立的类比。

七、原理深挖:激子-极化子到底是个什么"混血儿"

如果你只关心结论,这一节可以跳过。但既然这是一篇长文,我希望把"半光半物质"这个词背后的真实物理图像也讲清楚。这一节信息密度会高一点,但每个概念都有白话解释。

7.1 出场角色:光子、激子、激子-极化子

先把三个名词列清楚:

• 光子(photon):光的最小能量单位。它没有质量,跑得快,典型穿过半导体时只是被部分反射或吸收。
• 激子(exciton):在半导体里,一个电子被激发到导带后留下一个空穴,两者之间因为库仑相互作用形成一个类氢原子的束缚态。这种"电子+空穴"组合就叫激子。
• 激子-极化子(exciton-polariton):把光子塞进一个微腔(或光子晶体)里反复振荡,让它跟激子发生强耦合(coupling 强到不能再被微扰处理),两者就会"杂交"出新的本征模式——这种新的混合粒子就叫激子-极化子。

激子-极化子的关键性质是部分像光、部分像物质:

• 像光的一面:有色散关系、能从样品中辐射出光子。
• 像物质的一面:具有有效质量(虽然非常小,约电子质量的万分之一)、可以发生相互作用。

正是因为有"质量"和"相互作用",这种粒子才能像玻色子那样在低能态聚集,形成类 BEC 的凝聚体。

7.2 "强耦合"是这件事的命门

如果光子和激子的耦合不够强,你只会看到"光子被半导体偶尔吸收一下"这种弱耦合现象——这个物理大家上世纪就玩明白了。

要做出激子-极化子,需要满足:

g  > κ / 2 + γ / 2

其中:

• g 是光子-激子耦合强度,
• κ 是腔内光子的衰减率,
• γ 是激子的退相干率。

这个不等式的物理含义是:光子在被吸收前必须能在腔里来回振荡足够多次,激子也必须在退相干前足够多次地把能量抛回光子。两者来回交换能量的速度,要快于各自损失能量的速度,才能形成稳定的混合粒子态。

这就是为什么实验上需要:

• 高品质因子(Q 值)的光学微腔/光子晶体;
• 激子结合能足够大、退相干率足够低的半导体材料。

GaAs 体系需要低温就是因为它的激子结合能只有几个 meV,常温下被热涨落直接打散。钙钛矿的激子结合能可以做到几十 meV,所以才能撑到室温。

7.3 极化子怎么"凝聚"

到了这一步,激子-极化子作为一种玻色子,可以在低能态扎堆。当泵浦强度跨过某个阈值,大量极化子会进入同一个量子态——这就是极化子凝聚(polariton condensation),可以视为开放-耗散版本的玻色-爱因斯坦凝聚。

凝聚之后,所有极化子共享同一个宏观相位,这是后续一切"奇怪现象"的前提。

7.4 怎么再变成"超固体"

到这一步,你只有"超流体"那一半。要做成"超固体",还得让密度自发形成空间周期性的调制——也就是出现稳定的条纹。

意大利团队和 RPI 团队选择了两种不同路径:

• 意大利团队:用光子晶体波导中的"束缚于连续区(BIC)"模式,让凝聚体自发倾向于一个有空间结构的解。
• RPI 团队:利用光参量振荡,把单一凝聚模分裂成两个对称的旁瓣模式,相干叠加形成条纹。

无论路径如何,结果都是同一个状态:整个凝聚体具有周期性密度结构(像晶体),同时仍维持相位相干性和无摩擦流动(像超流体)。这两件事同时存在,就是超固体相的实验证据。

我用一段伪代码再把整个流程"软件化"地描一遍:

class PolaritonSupersolid:
    def __init__(self, material, structure, temperature):
        self.material   = material
        self.structure  = structure
        self.temperature = temperature

    def pump(self, intensity):
        # 强耦合:光子在腔里和激子来回交换能量
        polaritons = self.material.couple_photon_exciton(intensity)

        # 凝聚:极化子集体进入低能态
        condensate = polaritons.condense_above_threshold()

        # 空间对称破缺:形成条纹密度调制
        ss = condensate.spontaneous_density_modulation()

        # 同时保持相位相干的整体流动
        assert ss.has_phase_coherence()
        assert ss.has_periodic_density_pattern()
        return ss

7.5 简短的历史脉络:激子-极化子是怎么从理论变成实验的

激子-极化子这个概念不是 2025 年才冒出来的,它是上世纪 50 年代由苏联物理学家 Hopfield 等人在理论上提出的——用来描述光子和晶体激子之间的强耦合行为。但真正让它从纸面走到实验里,要等到 1992 年法国团队在量子阱微腔中第一次实验观测到极化子色散分裂为止。

接下来三十年,这条路一步步走出来:

• 1990 年代,半导体量子阱 + 微腔的体系把激子-极化子做成了一种"看得见摸得着"的实验对象。
• 2006—2010 年,几个团队相继宣布观测到极化子凝聚现象——虽然引发了不少争议,但渐渐被学界接受。
• 2014 年起,涡旋、孤子、超流等"量子流体特征"被一个一个在极化子凝聚体里复现。
• 2022—2024 年,钙钛矿等新材料把极化子体系拉进室温区。
• 2025 年,光的超固体第一次被做出来。
• 2026 年,光超固体被推到室温。

可以看出,2025—2026 年这两次突破不是凭空冒出来的,而是站在三十年实验积累上的"水到渠成"。激子-极化子这条赛道之所以越走越宽,本质上是因为它给我们提供了一种用"光"来探索量子多体物理的新工具。比起难以驾驭的超冷原子云,极化子可以在芯片上做,可以电控,可以室温运行——这些特性都是科研产业化的"好朋友"。

八、原理深挖:停光为什么是"原子在帮你记住光"

回到光存储这一条线。前面提过一句"光的信息被转移到原子自旋里",这一节把它再说细一点。

8.1 不是把光"冻在原地",而是把信息"转写"出去

很多人会把光存储想象成:"光被夹子夹住、动弹不得"。这个图像是错的。正确的图像是:

• 光打进介质;
• 介质在控制光的指挥下,把入射光的相位、振幅信息复制到原子(或离子)的自旋叠加态里;
• 与此同时,光本身在介质里"熄灭",看上去就像消失了;
• 等需要的时候,再用控制激光的反向操作,把自旋叠加态里的信息复活成光。

类比一下:

你录制了一段语音,把它存进了U盘里。U盘里没有"你在说话",但你的声音信息已经以某种编码方式存在U盘里。任何时候插上播放器,声音都能被还原。
光存储就是这样:那块掺铕硅酸钇晶体就是"光的U盘",原子核自旋的叠加态就是"编码格式",激光器是"读写头"。

8.2 自旋激发态的角色

为什么是核自旋而不是电子自旋?因为电子受外界环境影响太大,它的相干时间一般是微秒到毫秒级;核自旋则可以被电子云屏蔽起来,对外界扰动不敏感,相干时间能做到秒甚至小时级别。这是从 60 秒到 1 小时的物理基础之一。

更巧的设计是 ZEFOZ 磁场。在某个特定磁场点上,原子能级的一阶塞曼效应被压成零,意味着外界磁场涨落产生的影响被一阶抵消。这相当于把"陀螺"放进了一间隔音、隔风、防震的暗房里,自然就能转得久。

8.3 释放过程

当你想读出存储的信息,过程基本上是写入过程的"倒放":

[长时间静默存储:原子核自旋仍保持相干]
            ↓ 打开控制激光
[自旋相干叠加态重新激发为光学相干叠加态]
            ↓ 自发辐射或受激辐射
[释放出与原入射光相位/振幅一致的光脉冲]

整个过程的核心评价指标只有两个:保真度(还原出来的光有多接近原来的样子,2021 年的工作做到 96.4 ± 2.5%)、存储时间(信号还没退化到无法识别之前的最大时长,做到了 3600 秒)。

8.4 一个常见的疑问:存了这么久,为什么还能读得对

经常有读者问我:"存了一小时,中间环境难道一点变化都没有吗?为什么读出来的还是原来的光?"

答案不是"环境真的没变",而是这套实验设计本身,就是在专门对抗环境扰动。具体有几条机制:

• 第一,材料层面的天然防护。掺铕硅酸钇晶体里的稀土离子像被埋进岩石里的小磁针,外层电子云屏蔽掉了大部分外界扰动,核自旋的"独处时间"被极大延长。
• 第二,磁场层面的精心选址。ZEFOZ 点的设计相当于让原子能级处在一个对外界磁场变化"麻木"的位置,环境磁场抖动一点不会立刻波及到能级。
• 第三,脉冲层面的动态去耦合。实验中会插入一系列"自旋保护脉冲",它们的作用类似于"动态校准"——隔一段时间把自旋的相位反转一下,把环境扰动累积出来的偏差对称抵消掉。
• 第四,频率梳的多通道并行。原子频率梳技术让大量原子在频域里像梳齿一样错位排列,光的信息被"并行写入"到这些频域通道里,即便单个通道有损,整体还能稳健地还原。

四条加在一起,才把"存 1 小时还能读对"这件事从原理上做成。这也是为什么 2021 年的工作不是单点创新,而是材料、磁场、脉冲、协议四个层面同时升级的结果。理解了这一点,你就能体会到为什么"再延长到 6 小时"不是简单的"再等等就行",而需要每一个层面再上一个台阶。

九、这些突破能干什么?现实意义清单

不少读者关心"这玩意儿对我有什么用"。这一节按场景说几条已经在路上的应用方向。

9.1 量子计算与量子模拟

无论是极化子超固体还是长寿命光存储,本质上都是在精细操控量子相干性。这件事是所有量子技术的底层能力。

具体到应用:

• 极化子凝聚体可以作为一种新型的"模拟量子计算机",直接在硬件里实现某些复杂的多体哈密顿量,用来研究高温超导、拓扑物质等还没被理论彻底吃透的问题。
• 超固体本身是一个验证非平衡量子相变的天然实验台,可以用来检验量子场论里某些原本只能纸上谈兵的预言。

9.2 量子通信与量子互联网

光存储这条线最直接的应用就是量子中继器。

光纤里的量子态会因为传输损耗逐步丢失,经典通信靠"信号放大器"周期性放大信号,但量子态不能被放大(违反"不可克隆定理")。解决方案就是量子中继:把长链路切成若干段,在中继站对量子态进行存储、纠缠交换、纯化。这就需要在中继站点上有能存得住的光存储器。

存得越久,链路就能拉得越长。当存储时间达到小时级,就有机会出现"量子 U 盘"——前面提到过,把量子信息封装进便携设备,通过传统交通工具运输,以此实现跨洲、跨洋的量子分发。

9.3 新型激光器与光子芯片

极化子凝聚体本身就是一种没有粒子数反转的"零阈值激光":你不需要把大量电子激发到高能级,极化子的玻色统计性质会让发光自发同步起来。这种"polariton laser"在功耗和阈值上都比传统半导体激光器有优势。

进一步,极化子超固体能产生空间结构可调的相干光发射——这意味着你可以用电场或光泵浦的方式去调节光场的图案,有望孕育新一代光学计算单元。

9.4 量子 U 盘:把信息装进硬盘

聊回那个"量子 U 盘"的概念。它的工程目标可以这样描述:

[A 地]
  Alice 把她的量子信息存进 U 盘
       ↓
  把 U 盘交给快递员
       ↓
  快递员坐高铁/飞机带到 B 地
       ↓
[B 地]
  Bob 把 U 盘插进读取设备
       ↓
  恢复 Alice 当时写进去的量子态

这条链路里所有的"经典送货"环节都是成熟的,卡点只剩一个:U 盘里的量子信息能不能撑到送达。1 小时的存储时间,对应高铁可以跑大几百公里、飞机可以跨城甚至跨省。继续突破到 6 小时甚至一天,跨洲就有可能。

9.5 距离能用还有多远

不打嘴炮地说,目前所有的"冻光"成果都还在基础研究阶段。它们带来的产业应用还需要 5—15 年。

短期(2—5 年)可能落地的方向:

• 实验级量子中继器(用于专门的量子通信干线站点)
• 新型光泵浦激光器(基于极化子凝聚)
• 集成光子学的特殊器件

中期(5—10 年)有机会的方向:

• 部分量子互联网骨干站点的早期商用
• 用极化子模拟器解决某些化学/材料计算问题

长期(10 年以上)的想象空间:

• 真正意义上的量子 U 盘
• 全光量子处理器的部分模块
• 室温集成化的量子模拟硬件

对普通人来说,这些事情不会像"折叠屏手机"那样突然出现在市场上。但它们会以"基础设施"的形式默默支撑下一代信息技术。

9.6 顺手说一句:中国在这条赛道上的位置

很多读者读完前面会问:这些事情看起来欧美做得多,中国是什么角色?

如果只看"冻光"这两条线,中国在光存储/量子 U 盘这一支上目前是世界第一梯队,而且某些指标处于绝对领先位置——2021 年 1 小时光存储是一个明显的标志性成果。中科院、合肥微尺度国家实验室、上海一些研究院都在这条线上长期投入。光的超固体这条线上,中国团队近年也在跟进:2025 年前后已经有国内团队在钙钛矿极化子凝聚、室温超固体等方向陆续出成果。整体看,这两条赛道都不是单一国家的独角戏,而是中、美、欧三方在你追我赶。

我对这件事的乐观判断有一条:做物理基础研究最怕断档,只要持续有研究生进来、有经费撑住,这条赛道就还有得打。从最近几年国内量子方向的招生、资助、产业基金动向看,断档的风险并不高。

十、新手最常问的几个问题

最后这一节,我把莫潇羽在自己学习这套知识时反复琢磨过、也被读者问过的几个高频问题,集中回答一下。

10.1 这些实验我能在家复现吗

不能。

光的超固体实验需要:微纳加工设备(电子束光刻、外延生长)、超快激光器、低温或精密温控环境、k 空间和实空间的高分辨光学测量系统。

光存储实验需要:低温杜瓦或制冷机、超稳激光器、高品质稀土掺杂晶体或超冷原子装置、磁场屏蔽和精密磁场控制。

这两类装置里任何一项的造价都不会低于一辆中级房车。家用复现没有可能性,大学普物实验也做不了,基本只有国家级或顶尖大学实验室才有完整条件。

10.2 想看懂相关论文,需要哪些前置知识

按优先级排序:

• 基础量子力学(波函数、本征态、薛定谔方程、不确定性原理)
• 凝聚态物理基础(晶体结构、能带、激子、声子)
• 量子光学(EIT、二能级原子模型、Jaynes-Cummings 模型)
• 统计物理(玻色统计、玻色-爱因斯坦凝聚)
• 微纳加工和光学测量的实验技巧(选读,看你想做哪一头)

我个人推荐的路径是先把前两条啃完,然后直接读综述论文找感觉,缺啥补啥。

10.3 为什么这两类实验总被混着说

因为媒体喜欢"冻光"这个词。在自媒体短视频里,无论是把光做成超固体、把光速降到 17 米/秒、还是把光存储到 1 小时,标题都可以套上"科学家把光冻住了"。一旦套上,流量就上来了,但物理上的细节就被一锅炖了。

这不全是自媒体的锅。专业研究领域里,"slow light"、"stopped light"、"polariton condensate"、"supersolid" 这些词的边界本来就有交叉。媒体在简化时容易跨过边界,读者又没办法回到原始文献核对,误传就此形成。

10.4 室温实现以后,下一步是什么

我个人猜测,接下来两年最值得看的方向有:

• 电控的室温极化子超固体:能用电场切换、调节,而不只是光泵浦。
• 集成芯片化:把极化子结构和电子电路放在同一块半导体衬底上。
• 更长寿命的光存储:从 1 小时往 6 小时、十几小时推。
• 超固体内部缺陷与拓扑结构的研究:在极化子超固体里寻找漩涡、孤子等拓扑激发,这可能孕育全新的量子模拟方案。

如果接下来一年内有团队做出"室温极化子超固体激光器原型"或者"小时级量子 U 盘原型机",我不会感到意外。

10.5 一句话告诉朋友"冻光"到底是怎么回事

如果你打算转述给非物理背景的朋友,可以这么说:

"科学家做出来的不是日常意义上的'冻住光',是把光和半导体里的电子杂交成一种新粒子,这种新粒子能像晶体一样有结构,又像液体一样能流动;另一类实验是把光打进特殊晶体里,光本身不见了,信息被原子记住了,过一会儿再让原子'吐'出来,光就回来了。两类都不是科幻里的光剑,但都是真实的量子物理突破。"

10.6 这些研究跟我的日常生活有什么间接关系

完全不关心物理学的人,大概率也享受不到"光超固体"和"光存储"在自己生活中的直接红利——至少未来几年里不会。但间接的影响其实正在累积。

通信安全这一块,量子密钥分发已经在多个城市建成试点网络,长期看,光存储和量子中继的进展会把这些网络的覆盖范围从"市区局域"逐步推到"跨省干线",最终影响金融、政务等高安全等级业务的底层加密方案。哪天你打开手机银行 App,后面跑的是量子加密的传输通道,那种安全感会比现在的 TLS 更扎实一些。

显示与照明这一块,极化子激光器、新型相干光源的研究,可能在 5—10 年内孵化出新一代显示器件——更高的发光效率、更窄的色彩纯度、更低的功耗。你以后在客厅看的电视,可能多少受惠于这一波光物理研究。

计算硬件这一块,光子计算和量子模拟器的发展会逐步对某些"经典计算机算不动"的问题(气象、药物、材料)产生影响。你不需要在家里摆一台量子计算机,但你点开某个 App 看到的天气预报、用过的某种药、家里挂的某种特殊涂层,背后可能都有它们一脚。

科学传播这一块,新闻越是用"冻光""光剑""时空封冻"这种夸张词,公众越容易对量子物理产生兴趣——这本身就是好事,前提是不要在兴奋之后留下错误的认知。把刷屏背后的真相拆给身边人,可能是这篇文章最直接的现实价值。

个人学习实践总结

以上是我把这两类"冻光"实验的来龙去脉、原理、应用前景挨个梳理一遍后的个人学习实践心得。整体读下来,这两条故事线虽然顶着同一个网红词,但本质上是物理学两个完全不同方向的工作,各自的难点、关键技术、应用前景都很不一样。一旦把它们分开看,就会发现这两条线都已经走到非常深的位置,而且距离真正改变现代信息技术,可能比大众感受到的要近不少。

希望这篇长文对你建立一个清晰的认知框架有帮助。如果觉得讲清楚了,欢迎转发到朋友圈或者技术群,但请保留出处:莫潇羽@无忆研习社(www.wuyi.wiki)。

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