超固體的驚鴻一瞥

固態氦可以表現得像超流體

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固體和液體看起來截然不同,一個保持剛性形狀,另一個流動以適應任何容器的輪廓。在所有晃動和傾倒的東西中,超流體似乎抓住了液體狀態的精髓——在微小的通道中毫無阻力地流動,甚至會向上滴落,從碗中逃逸。

超流體固體聽起來像一個矛盾的說法,但這正是賓夕法尼亞州立大學的研究人員最近所看到的。物理學家摩西·陳(Moses Chan)和金恩成(Eun-Seong Kim)在被壓縮成固態並冷卻至接近絕對零度的氦4中觀察到了這種行為。儘管早在1969年就有人提出超固體行為的理論可能性,但它的演示卻提出了深刻的謎團。

旋轉是超流體揭示其特殊性質的一種方式。拿一桶普通的液態氦並緩慢旋轉它,然後將其冷卻至約2開爾文,使一部分氦變成超流體。超流體部分不會旋轉。由於部分氦是靜止的,因此使桶和氦旋轉所需的力小於其他情況。從技術上講,氦的轉動慣量減小了。

陳和金在固態氦環中觀察到了這種轉動慣量的減小。他們對液態氦施加了約26個大氣壓的壓力,迫使原子鎖定到位,從而形成固定的晶格。他們觀察到氦在金屬桿末端來回扭轉時的振盪。這些扭轉振盪的週期取決於氦的轉動慣量;當慣性下降時,振盪發生得更快,就像氦的質量減少了一樣。令人驚訝的是,他們發現大約1%的氦環保持靜止,而另外99%的氦環則像往常一樣繼續旋轉。一種固體可以以某種方式毫不費力地穿過另一種固體。


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那麼,固體如何表現得像超流體呢?所有大塊液體超流體都是由玻色-愛因斯坦凝聚引起的,這是一種量子過程,其中大量粒子都進入相同的量子態。因此,陳和金的結果表明,固態氦中 1% 的原子以某種方式形成玻色-愛因斯坦凝聚,即使它們仍處於固定的晶格位置。這似乎是一個自相矛盾的說法,但晶格位置之間原子的交換可能會允許它發生。氦的一個特徵將傾向於促進這種交換——即其大的零點運動,這是原子的固有晃動,代表量子不確定性所要求的最小運動量。(這是氦通常只以氣體或液體的形式存在的原因:極輕的原子晃動得太厲害,無法形成固體。)為了支援凝聚的想法,兩位研究人員沒有在固態氦3中看到超流性,氦3是氦的一種同位素,它作為液體僅在遠低於液態氦4所需的溫度下才經歷一種凝聚並變為超流體。

另一種可能性是氦的晶體包含許多缺陷和晶格空位(零點運動的另一種影響)。這些缺陷和空位可能是實際上經歷玻色-愛因斯坦凝聚的原因。

但是所有這些理論似乎都暗示超流性會隨壓力而變化,但陳和金看到的效果在 26 到 66 個大氣壓的範圍內大致相同。斯坦福大學的道格拉斯·D·奧謝羅夫(Douglas D. Osheroff)是氦 3 中超流性的共同發現者,他稱這種缺乏壓力依賴性“有點令人困惑”。他說,陳和金已經做了“所有明顯的實驗來尋找一些人為現象”。如果他們是正確的,奧謝羅夫補充說,“我不明白超固體是如何變成超的。我希望理論家們正在認真地思考這個問題。”

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