下一種超冷物態

------物理學家即將發現一種新的物質狀態

央視國際 2004年02月19日 10:14

　　超流體？一團6Li超冷原子氣起初被壓縮成薄圓柱形，一旦釋放，它就急劇膨脹。這個結果很有可能意味著超流體的出現，但我們尚不能下定論。從左到右順序展示出從氣體被釋放後的0.1毫秒到2毫秒之間的變化情況。

　　超導體、原子核以及中子星等多種物質中都能出現這種狀態。目前有幾個研究小組在實驗室中競相工作，希望在超冷氣體中觀測到微小斑點，再現這種狀態。目前它還處於理論研究領域，一旦他們獲得成功，就能夠開展實驗研究。這是一種超流態，根據理論預測，通常情況下相互排斥的量子粒子彼此結合成對，這時它們的集體行為表現就像一團流體一樣。

　　這種超流態涉及一大類被稱為費米子的量子粒子。根據量子力學，自然界中的量子粒子要麼是玻色子，要麼是費米子。這兩類粒子特性的區別在極低溫時表現得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態上，形成玻色─愛因斯坦凝聚；費米子則與之相反，它們更像是個人主義者，各自佔據著不同的量子態。當物體冷卻時，費米子逐漸佔據最低能態，但它們是在不同能態上堆疊起來的，就像人群涌向一段狹窄的樓梯時那樣。大部分最低能態都被單個費米子佔據，這種狀態稱為簡並費米氣體。

　　1999年，科羅拉多博爾德大學實驗一文物理學聯合學院（JILA）的Deborah S.Jin和Brian De-Marco，在磁阱的一小團鉀原子云中首次生成了簡並費米原子氣。然而這種簡並氣體還不是故事的全部。在液態3He的超流體性質就源於此，而在超導體裏，這種特性使電流無阻抗流動。

　　這樣的超流態能在氣態費米系統中實現嗎？理論推測，生成原子庫柏對所需溫度比出現簡並態所需溫度要低得多，以目前的科技水平，在要實驗室裏獲得這種低溫還是不現實的。然而最近有人提出了另外的解決辦法，因為庫柏對的生成不僅依賴於溫度，還依賴於原子間的相互作用。與其降低氣體的溫度，何不嘗試增強原子間的相互作用呢?幸運的是，自然給我們提供了一種簡便的方法來調整原子間的相互作用。通過施加強度合適的磁場，産生核磁共振效應，這時原子間會産生強大的引力或斥力。生成庫柏對需要的是引力。

　　2002年末，杜克大學John E.Thomas領導的小組利用這項技術對6Li原子進行了實驗，實驗結果明顯表現出超流體特性。被囚禁的氣體呈薄圓柱體形，一旦撤去製造磁阱的激光束，氣體就會迅速膨脹成為碟形，這是因為它在圓柱體軸心方向的膨脹很小。根據此前的預測，膨脹的各向異性被認為是超流態出現的標誌。

　　然而杜克大學研究小組指出，其他效應也可以導致膨脹的各向異性。事實上，今年早些時候，Jin的小組以及巴黎高等師範學校的Christophe Salomon和同事們，都在不可能存在超流態的情況下，實驗觀測到了類似的各向異性膨脹現象。

　　我們需要能夠找到直接檢測到庫柏對或超流體的技術。Jin和麻省理工學院Wolfgang Ketterle的小組最近提出了新方法，用微波研究被囚禁的簡並氣體中原子的精確狀態。如果真的存在庫柏對，它們的束縛能就應該可以清楚的顯示出來，沒有一個小組發現庫柏對形成的跡象，但他們都獲得了有價值的新資料，了解了費米態原子在近核磁共振時相互作用的細節情況。

　　近期有幾個小組正在研究束縛鬆散的雙原子分子在氣態時的構成。Ketterle説：“我們希望能把（這些分子）變成庫柏對。”八月，理論物理學家Yvan Castin和他巴黎高等師範學校的合作者們提出了一種可行的方法：首先讓這些分子形成玻色凝聚，然後再使之産生核磁共振。如果能實現，那實驗學家離他們的目標就只有兩步之遙了。（來源：中國科普網）