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作者: 谢莉琳

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下一种超冷物态 物理学家即将发现一种新的物质状态


  超流体?一团6Li超冷原子气起初被压缩成薄圆柱形,一旦释放,它就急剧膨胀。这个结果很有可能意味着超流体的出现,但我们尚不能下定论。从左到右顺序展示出从气体被释放后的0.1毫秒到2毫秒之间的变化情况。
                 
  超导体、原子核以及中子星等多种物质中都能出现这种状态。目前有几个研究小组在实验室中竞相工作,希望在超冷气体中观测到微小斑点,再现这种状态。目前它还处于理论研究领域,一旦他们获得成功,就能够开展实验研究。这是一种超流态,根据理论预测,通常情况下相互排斥的量子粒子彼此结合成对,这时它们的集体行为表现就像一团流体一样。
                 
  这种超流态涉及到一大类被称为费米子的量子粒子。根据量子力学,自然界中的量子粒子。根据量子力学,自然界中的粒子要么是玻色子,要么是费米子。这两类粒子特性的区别在极低温时表现得最为明显:玻色子全部聚集在同一量子态上,形成玻色―爱因斯坦凝聚;费米子则与之相反,它们更像是个人主义者,各自占据着不同的量子态。当物体冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们是在不同能态上堆叠起来的,就像人群涌向一段狭窄的楼梯时那样。大部分最低能态都被单个费米子占据,这种状态称为简并费米气体。
                 
  1999年,科罗拉多博尔德大学实验一文物理学联合学院(JILA)的DeborahS.Jin和Brian De-Marco,在磁阱的一小团钾原子云中首次生成了简并费米原子气。然而这种简并气体还不是故事的全部。在液态3He的超流体性质就源于此,而在超导体里,这种特性使电流无阻抗流动。
                 
  这样的超流态能在气态费米系统中实现吗?理论推测,生成原子库柏对所需温度比出现简并态所需温度要低得多,以目前的科技水平,在要实验室里获得这种低温还是不现实的。然而最近有人提出了另外的解决办法,因为库柏对的生成不仅依赖于温度,还依赖于原子间的相互作用。与其降低气体的温度,何不尝试增强原子间的相互作用呢?幸运的是,自然给我们提供了一种简便的方法来调整原子间的相互作用。通过施加强度合适的磁场,产生核磁共振效应,这时原子间会产生强大的引力或斥力。生成库柏对需要的是引力。
                 
  2002年末,杜克大学John E.Thomas领导的小组利用这项技术对6Li原子进行了实验,实验结果明显表现出超流体特性。被囚禁的气体呈薄圆柱体形,一旦撤去制造磁阱的激光束,气体就会迅速膨胀成为碟形,这是因为它在圆柱体轴心方向的膨胀很小。根据此前的预测,膨胀的各向异性被认为是超流态出现的标志。
                 
  然而杜克大学研究小组指出,其他效应也可以导致膨胀的各向异性。事实上,今年早些时候,Jin的小组以及巴黎高等师范学校的Christophe Salomon和同事们,都在不可能存在超流态的情况下,实验观测到了类似的各向异性膨胀现象。
                 
  我们需要能够找到直接检测到库柏对或超流体的技术。Jin和麻省理工学院Wolfgang Ketterle的小组最近提出了新方法,用微波研究被囚禁的简并气体中原子的精确状态。如果真的存在库柏对,它们的束缚能就应该可以清楚的显示出来,没有一个小组发现库柏对形成的迹象,但他们都获得了有价值的新资料,了解了费米态原子在近核磁共振时相互作用的细节情况。
                 
  近期有几个小组正在研究束缚松散的双原子分子在气态时的构成。Ketterle说:“我们希望能把(这些分子)变成库柏对。”八月,理论物理学家Yvan Castin和他巴黎高等师范学校的合作者们提出了一种可行的方法:首先让这些分子形成玻色凝聚,然后再使之产生核磁共振。如果能实现,那实验学家离他们的目标就只有两步之谣了。
                 

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