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科学家发现了超固体——一种同时是固体和流体的物质的新状态

超立体(2)

超固态图解来源:苏黎世联邦理工学院

在学校里教科学的时候,讲的是物质的四种状态:固体,液体,气体和等离子体。然而,最近,科学家们创造了一种类似固体晶体但又像超流体一样流动的物质。

超固体材料同时具有结晶固体和流体的特性。它是由两个独立的美国而且瑞士和科学家发表在同一期的自然.瑞士队隶属于研究所苏黎世联邦理工学院的量子电子学(IQE),而由诺贝尔物理学奖得主Wolfgang Ketterle领导的美国团队则来自麻省理工学院。

制造超固体的竞赛已经进行了相当长一段时间。经过工程改造的超固体不是一种可以拿在手里的物质;因为它只存在于真空室的超冷环境中。

在谈到这项突破时,沃尔夫冈·凯特勒说,

“我们的目标是发现具有新特性的新材料,那些人们甚至不知道可能存在的新材料。我们想要制造地球上从未存在过的材料。”

当液态氦-4冷却到接近绝对零度的2度时,它就不能装在一个打开的容器中,因为它开始沿着壁面向上流动。1937年,人们发现这种材料是超流体。自20世纪50年代以来,科学家们一直想知道超固体的存在。60年过去了,科学家们终于创造出了一种超级固体。

这两个团队创造的超固体材料不同。原子首先被转化为“玻色-爱因斯坦凝聚态”,这是一种由电子数量为偶数的原子构成的超冷气体。拥有偶数电子的原子具有量子力学性质,即它们具有整数自旋值。这样的原子被称为玻色子,根据物理定律,这些原子可以占据相同的空间。在宏观尺度上,这些气体流动时没有任何阻力。凯特勒是最早创造玻色-爱因斯坦凝聚的人之一,这正是他获得诺贝尔奖的原因。

玻色-爱因斯坦凝聚态
来源:量子慕尼黑

玻色-爱因斯坦凝聚态具有超流体的性质。科学家们使用激光将超流体转化为超固体,这改变了物质中一半原子的自旋。这种材料是由钠原子构成的,激光同时产生了两种不同的玻色-爱因斯坦凝聚。这两种材料的密度在条纹上有所不同。当激光入射到这种材料上时,它就像在晶体光栅上那样反射回来。

Ketterle的实验装置
来源:麻省理工学院

瑞士团队在这件事上的做法有点不同。他们用的不是钠,而是铷,而铷的玻色-爱因斯坦凝聚体被放置在镜子之间,光子在那里来回反弹。这些光子导致光在凝聚态原子之间散射,使它们形成规则的晶体图案。

苏黎世联邦理工学院的团队设置
来源:苏黎世联邦理工学院

这两个研究小组都在同一期的杂志上发表了他们的研究结果自然星期三,3月8日。

到目前为止,这种只存在于超冷真空中的材料似乎没有任何用处,但它确实让我们对物理学和宇宙的运行有了更深的理解,而宇宙显然不像固体、液体、气体和等离子体那样简单。然而,凯特勒有更多的希望,

“激励我们的是,一旦它成为可能,人们就会知道自然法则允许我们实现这些材料。我们希望在未来10到20年,它能影响材料设计师走得更远,也许能创造出一种存在于真空室之外的超固体。”

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