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人类首次在室温下造出“液态光”
更新日期:2017-6-24    作者:网络综合    编辑:admin    点击量:7051

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玻色-爱因斯坦凝聚态

近几年来,科学家制造出来的新型物质种类越来越多,制备方法也正不断走向常规化。无论是此前的金属氢、时间晶体、负质量超流体,还是这次的液态光,这些充满想象力的发现都利用了物质在极端情况下的奇异状态。

其中,上文提到的玻色-爱因斯坦凝聚态便是其中之一,这种凝聚态的又称为“物质的第五态”(共有六种物态,其他5个分别为气态、液态、固态、等离子态、和费米子凝聚态),遵从量子力学而非经典物理,也是本此研究中最重要的理论支柱。 


1953年,萨特延德拉·纳特·玻色盯着一张爱因斯坦的照片

80 年前,爱因斯坦和印度物理学家玻色就基于量子力学预言了这一物态的存在,爱因斯坦甚至因为其太过奇特的性质而对自己的理论产生了怀疑。

该物态在试验中出现是在 1938 年,科学家在2.17K的温度条件下发现氦的同位素,氦-4突然从正常流体突然转变为粘性为零的超流体。然而,当时人们还未把超流现象和爱因斯坦的理论联系起来。

直到 1995 年,科罗拉多大学的Eric CornellCarl Wieman才制造出来真正的玻色-爱因斯坦凝聚态物质——约两千个铷原子的聚合体。

为了冷却这堆原子,这两位科学家也是够拼的,首先用激光技术强行降温,然后在用磁场把较热的原子一点一点削掉,最后才降到了100nK(百万分之一度)的温度,不过研究成果最终还是为他们赢得了2001年的诺贝尔奖。


1995年试验:用激光(红色箭头)和磁场(蓝色箭头)对铷原子(绿色区域)降温,最终波色-爱因斯坦凝聚体在绿色区域出现

由此可见,这一回的常温液态光简直6到飞起!在不远的未来,我们期待这种物态会呈现出更多神奇的物理特性,继续为人类带来意想不到的新发现。

神奇的超流体现象

零粘性、零摩擦、遇到障碍物不会产生皱纹……为什么液态光会有这些不可思议的特质?这得从一种叫超流体的特殊现象说起。

超流体现象是液体或气体极端条件下表现出粘性为零的现象。因为流动时不对周围产生摩擦力,其机械能损失也为零,如果我们将超流体放置于环状容器中,由于没有摩擦力,它可以永无止尽地流动。而表现出该性质的物质被称为超流体,此次制造出的液态光就是超流体状态下的光。 


如你所见,超流体流经障碍物时不产生任何波纹

超流体一般只存在于接近绝对零度的极端环境中,因为多数超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的体现——当粒子聚合物冷却至一定程度时,就会以最低能态凝聚,此时它们处于一种基于波粒二象性形成的半量子态,故费米子可以像玻色子一样在狭小的空间内凝聚。

为了方便大家理解,就是一团粒子在很冷很冷的时候抱在一起了。他们抱团之后彼此重合、不分你我,仿佛许多粒小水滴聚合成大水潭一样。如此一来,因为其高度相干的量子性质,流动时摩擦力和粘性消失也不足为奇了。

超流现象是玻色-爱因斯坦凝聚态的一种体现,但不是所有超流体都处于玻色-爱因斯坦凝聚态。与之相对应的还有费米子凝聚态,适用于对超导体的理论描述,

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