超固體（Supersolid），是處于超固態（物質的第五態）的物質，同時具有零粘度和類似于鹽晶體中原子排列的晶體結構，具備超流體和固體的特性，可在極低溫的偶極量子氣體中人工生成。根據估算，一塊乒乓球大小的超固態物質，其質量至少在1000噸以上。
1969年，超固體最早由俄羅斯理論物理學家 A．Andreev 和I．Liftshitz 提出。2004年，超固體存在的證據由Pennsylvania州立大學的Moses Chan和他的研究生Eum-Seong Kim所發現。2016年1月，愛丁堡大學科學家利用鉆石對頂砧制造出某種極端高壓狀態，從而生成“第五狀態氫”，即超固態氫。2021年8月，奧地利和德國科學家合作，首次在偶極量子氣體中實現二維超固體。2024年11月，因斯布魯克大學研究團隊在旋轉的二維超固體中首次觀察到量子渦旋。2025年3月，《自然》雜志報道，意大利國家研究委員會研究人員首次將光轉化為超固體。
概念
超固體是處于超固態（物質的第五態）的物質。超固體是同時具有零粘度和類似于鹽晶體中原子排列的晶體結構。
當物質處于140萬大氣壓下，物質的原子就可能被“壓碎”，電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質密度極大，這就是超固態。一塊乒乓球大小的超固態物質，其質量至少在1000噸以上。
研究歷史
1969年，超固體最早由俄羅斯理論物理學家 A．Andreev 和I．Liftshitz 提出。他們認為，當溫度接近絕對零度時，由玻色子組成的固體晶格中的空位將全部塌縮到相同的基態，即發生了薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛因斯坦凝聚，這時的空位將變成為一個相干的實體，即超固體 。它可以在剩下的固體內不受阻礙地移動，就像超流體一樣。
2004年，超固體存在的證據由Pennsylvania州立大學的Moses Chan和他的研究生Eum-Seong Kim所發現。他們觀察裝有氦－4樣品的多孔玻璃盤的扭擺運動來記錄氦－4樣品的轉動慣量，當溫度低于200mk時，固態氦－4的轉動慣量突然減少，暗示有2％的氦從樣品中分離出來成為了超固體．他們的實驗被另外三個實驗小組所證實，這樣就確立了超固體的客觀存在。
2007年12月，加拿大阿爾伯塔大學物理學家約翰·比米什在英國《自然》雜志上發表文章稱，他們通過實驗發現，溫度越低，冷卻固態氦表現得越硬，在非常低的溫度下，氦氣可以轉換成液體；而在特別高的壓力下，液氦又可以轉化成固體氦狀態，此種發現是超固體現象研究取得的一項新突破。2016年1月，愛丁堡大學科學家利用鉆石對頂砧制造出某種極端高壓狀態，從而生成“第五狀態氫”，即超固態氫。
2021年8月，奧地利和德國科學家合作，首次在偶極量子氣體中實現二維超固體。相關研究成果發表在《自然》雜志上。將量子氣體中的超固體狀態從一維拓展到二維，這不僅是數量上的差異，而且決定性地拓寬了研究視野。例如，在二維超固體系統中，人們可以研究渦流是如何在幾個相鄰液滴之間的開口中形成的。
2024年，中國科學院大學教授蘇剛、中國科學院物理研究所研究員孫培杰、中國科學院理論物理研究員所李偉、北京航空航天大學副教授金文濤等組成的聯合研究團隊，在鈷基三角晶格量子磁性材料中，通過理論和實驗研究結合，首次發現阻挫量子磁體中超固態（自旋超固態）的存在。同年1月11日，相關研究成果以Giant magnetocaloric effect in spin supersolid candidate Na2BaCo(PO4)2為題，發表在《自然》（Nature）上。
2024年11月，因斯布魯克大學研究團隊在旋轉的二維超固體中首次觀察到量子渦旋，為長期尋找的無旋超流體流入超固體的現象提供了確切證據，標志著調制量子物質研究邁出了一大步。相關成果發表在最新一期《自然》雜志上。
2025年3月，《自然》雜志報道，意大利國家研究委員會研究人員首次將光轉化為超固體。研究人員將激光照射到一塊具有狹窄脊狀圖案的半導體小塊上，光與材料之間復雜的相互作用最終形成了一種名為極化子的混合粒子。脊狀圖案限制了這些“準粒子”的移動方式和可能具有的能量，從而使極化子形成了超固體。這一成就為探索物質的不尋常量子態開辟了新途徑，標志著凝聚態物理學領域的一個重要里程碑。
特點
超固體是一種新型量子物質狀態，它同時具備超流體和固體的特性。這種獨特的物質狀態可在極低溫的偶極量子氣體中人工生成。超固體是物質的矛盾相，它既有晶體態中原子規則排布的特征，又可以像超流體一樣無摩擦流動。
影響與應用
超固體中存在量子渦旋的發現開辟了材料物理學的新視角，并可能具有革命性的應用。超固體及其超流體特性可用于開發新型超導體，在不損失能量的情況下傳輸電力，還可以模擬在天體物理環境中觀察到的極端現象。
太陽和太陽系的大型行星的內核主要由高壓形式的元素（超固體）構成。比如，木星和土星的內核被認為主要由這種形態的元素構成，對超固體的研究有助于基礎科學和行星科學的發展。
參考資料 >
Nature｜首次用光創造出“超固體”-光子晶體極化激元.微信公眾平臺.2025-03-25
超固體旋轉時呈現“量子渦旋”.中國科學院.2025-03-25
科學家首次將光轉化為超固體.央視網.2025-04-27
全新物質形態成真:固體金屬態氫證實存在.新浪科技.2025-03-24
量子氣體中首次實現二維超固體.環球網.2021-08-19
科學家發現自旋超固態巨磁卡效應.中國科學院.2025-04-27
量子渦旋證實了超固體的超流性.中國核技術網.2025-04-27