澳门博娱乐平台 零摩擦力滑行的超固体是啥?玻色–爱因斯坦凝聚态也许能揭开秘密
来源:郝滩网    发布日期:2020-01-07 12:21:43

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澳门博娱乐平台,科学家证实玻色–爱因斯坦凝聚态(bose einstein condensate,简称bec)的存在至今已有20多年时间。事实证明,bec的最佳应用之一,是可以探索其他量子事物,比如固体——没错,固体的特性是由量子力学决定的。

在那些固体中,有一种富有争议、有可能并不存在、目前还停留在理论阶段的固体:超固体。现在,两位理论物理学家证明,研究人员最近观察到的bec“液滴”,也许是制备类超固体材料的一种方法。这可能为我们带来了一种探索超固体特性的途径,同时也绕开了与传统材料有关的种种困难。

bec是一种需要特定类型粒子才能获得的物质状态。粒子世界基本上可以分为两个阵营:要么是费米子,要么是玻色子。费米子彼此看不顺眼,所以它们会按照从低能量到高能量的顺序积聚起来。任何两个彼此够得着的费米子必然是不同的,那可能意味着不同的能量状态,不同的自旋,或者其他一些不同的特性,但它们必须是不同的才行。几乎所有事物都是由费米子组成的,宇宙之所以是现在这个样子,就是由费米子的积聚方式决定的。

玻色子与此不同。

它们乐于待在一起,并在同一状态下“聚会”。它们不仅不介意拥有相同的状态,而且它们喜欢这样。如果几个玻色子发现自己处在同一状态,它们会立刻“呼朋唤友”,让朋友们也加入进来。而且,如果玻色子有办法产生足够的能量,它们一定会那样做。其结果就是,我们能够相对容易地制备非常冷的玻色子气体,它们都处于完全相同的量子状态,也就是bec。

然而,并非所有的玻色子和bec都是相同的。尽管玻色子喜欢处于同一状态,但大多数玻色子都是复合粒子,也就是说,它们的一些组成部分是费米子。因此,也会有一些力量在发挥作用,试图把原子驱逐出bec。把bec聚合在一起的引力以及试图把它打散的斥力,这两种力之间的相对强度是受到实验控制的。

对bec进行观察时,我们发现了一个略显怪异的现象:当条件合适时,某些类型的bec会形成液滴阵列。我们已经观测到,它们会形成一系列具有相对高密度、间隔均匀的球体,但我们不知道它们为何会如此。此外,我们也不知道那些液滴具有何种特性。

对这种现象进行了合理透彻的探究之后,两位理论物理学家回答了其中的一些问题。首先,液滴的形成代表着力的平衡。如前所述,一边有把bec聚合在一起的引力,另一边有把它打散的斥力。对于那些能够形成液滴的bec类型,斥力不仅会随着密度的变化而变化,还跟原子序数存在密切关联。少数原子可以紧密结合在一起,但这个数字不能太大,否则原子就会被打散。这意味着,bec形成了一些高密度的液滴,而它们全都相互排斥。把它们放到用来控制bec的陷阱里,我们就能得到一个漂亮整齐的二维液滴阵列。

研究人员想弄明白,液滴是否仍然是同一个bec的组成部分。bec之所以能成为单一实体,是因为其原子之间的一种集体行为。然而,那种集体行为要求不同的bec液滴连接在一起,而这种连接的表现形式就是原子在它们之间移动。

研究人员已经证明,如果陷阱把液滴压在一起,原子会在不同的液滴之间有规律地移动,这将让bec得以维持其集体行为。

但重要的是,他们发现,在这种情况下,bec会表现得像一个超固体。但随着液滴远离彼此,原子无法继续在液滴之间移动。到了那个时候,bec就不再表现得像一个超固体了。

这种超固体状态的转变非常重要,因为目前,超固体仍然存在争议。超固体属于固体,也就是说,它们能像普通固体一样保持自己的形状。但超固体也有一些奇怪的特性,比如,它能毫无摩擦力地沿着某个平面滑动。有几位实验科学家声称,他们已经观察到了超固态,不过,他们的实验尚不明确,缺乏说服力。

如今,我们拥有了一件工具,可以细致地研究超固体的形式及其相变,并彻底探究超固态的特性。有了它的帮助,对于传统固态实验得出的结论,无论是反驳或是支持,我们都应该更容易做出评判。

翻译:何无鱼

审校:李莉

编辑:漫倩

来源:ars technica

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