超固体的惊鸿一瞥

固态氦可以表现得像超流体

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固体和液体看起来截然不同,一个保持刚性形状,另一个流动以适应任何容器的轮廓。在所有晃动和倾倒的东西中,超流体似乎抓住了液体状态的精髓——在微小的通道中毫无阻力地流动,甚至会向上滴落,从碗中逃逸。

超流体固体听起来像一个矛盾的说法,但这正是宾夕法尼亚州立大学的研究人员最近所看到的。物理学家摩西·陈(Moses Chan)和金恩成(Eun-Seong Kim)在被压缩成固态并冷却至接近绝对零度的氦4中观察到了这种行为。尽管早在1969年就有人提出超固体行为的理论可能性,但它的演示却提出了深刻的谜团。

旋转是超流体揭示其特殊性质的一种方式。拿一桶普通的液态氦并缓慢旋转它,然后将其冷却至约2开尔文,使一部分氦变成超流体。超流体部分不会旋转。由于部分氦是静止的,因此使桶和氦旋转所需的力小于其他情况。从技术上讲,氦的转动惯量减小了。

陈和金在固态氦环中观察到了这种转动惯量的减小。他们对液态氦施加了约26个大气压的压力,迫使原子锁定到位,从而形成固定的晶格。他们观察到氦在金属杆末端来回扭转时的振荡。这些扭转振荡的周期取决于氦的转动惯量;当惯性下降时,振荡发生得更快,就像氦的质量减少了一样。令人惊讶的是,他们发现大约1%的氦环保持静止,而另外99%的氦环则像往常一样继续旋转。一种固体可以以某种方式毫不费力地穿过另一种固体。


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那么,固体如何表现得像超流体呢?所有大块液体超流体都是由玻色-爱因斯坦凝聚引起的,这是一种量子过程,其中大量粒子都进入相同的量子态。因此,陈和金的结果表明,固态氦中 1% 的原子以某种方式形成玻色-爱因斯坦凝聚,即使它们仍处于固定的晶格位置。这似乎是一个自相矛盾的说法,但晶格位置之间原子的交换可能会允许它发生。氦的一个特征将倾向于促进这种交换——即其大的零点运动,这是原子的固有晃动,代表量子不确定性所要求的最小运动量。(这是氦通常只以气体或液体的形式存在的原因:极轻的原子晃动得太厉害,无法形成固体。)为了支持凝聚的想法,两位研究人员没有在固态氦3中看到超流性,氦3是氦的一种同位素,它作为液体仅在远低于液态氦4所需的温度下才经历一种凝聚并变为超流体。

另一种可能性是氦的晶体包含许多缺陷和晶格空位(零点运动的另一种影响)。这些缺陷和空位可能是实际上经历玻色-爱因斯坦凝聚的原因。

但是所有这些理论似乎都暗示超流性会随压力而变化,但陈和金看到的效果在 26 到 66 个大气压的范围内大致相同。斯坦福大学的道格拉斯·D·奥谢罗夫(Douglas D. Osheroff)是氦 3 中超流性的共同发现者,他称这种缺乏压力依赖性“有点令人困惑”。他说,陈和金已经做了“所有明显的实验来寻找一些人为现象”。如果他们是正确的,奥谢罗夫补充说,“我不明白超固体是如何变成超的。我希望理论家们正在认真地思考这个问题。”

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