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超流現(xiàn)象
安東尼·萊格特提出的物理現(xiàn)象
簡介
超流
超流現(xiàn)象
超流現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)
超流現(xiàn)象早就被發(fā)現(xiàn)了，但直到20世紀(jì)70年代，英國科學(xué)家安東尼·萊格特才發(fā)現(xiàn)，氦的同位素氦-3的原子對與超導(dǎo)體中金屬的電子對結(jié)構(gòu)相似。他的理論才從根本上解釋了氦原子是如何互動的和如何進入超流這種有序狀態(tài)的。超流現(xiàn)象是一種宏觀范圍內(nèi)的量子效應(yīng)。由于玻色—愛因斯坦凝聚，氦原子形成一個“抱團很緊”的集體。超流正是這種“抱團”現(xiàn)象的具體表現(xiàn)。玻色子體系不受泡利原理的限制，而且，由于粒子總是自發(fā)地向低能級躍遷，玻色子有向基態(tài)能級凝聚的傾向，這是產(chǎn)生超流現(xiàn)象的基本原因。
意義
超流現(xiàn)象簡介
自卡末林·昂尼斯實現(xiàn)氦的液化后，對物質(zhì)在低溫下的物理性質(zhì)的研究逐步深入，相繼發(fā)現(xiàn)了低溫下的超導(dǎo)電性和超流現(xiàn)象。
超流的液氦具有以下性質(zhì)
在2.17K（-270.42攝氏度）以下，超流的液氦具有以下性質(zhì)：
其次，如果用一細(xì)絲懸掛一薄盤浸于液氦中，讓圓盤作扭轉(zhuǎn)振動，則盤的運動將不會受到阻力。
第三，當(dāng)液氦由容器A中通過多孔塞（或極細(xì)的毛細(xì)管）流出時，A內(nèi)的液氦的溫度升高。這一現(xiàn)象好如機械致熱效應(yīng)。其逆過程稱為熱機械效應(yīng)，即：當(dāng)升高A內(nèi)的溫度時，其中液氦的液面將上升，若A本身是一毛細(xì)管，則將觀察到液氦從上口噴出，故也稱噴泉效應(yīng)。
以上這些性質(zhì)都表現(xiàn)為宏觀現(xiàn)象，事實上卻是超流液氦的量子效應(yīng)。不同于宏觀物體，微觀粒子除了坐標(biāo)空間的動量外，還有一種“內(nèi)部”角動量——自旋。粗略地說，可以把它看成一個轉(zhuǎn)動的小陀螺，有一個小磁矩。具有半整數(shù)自旋的粒子稱為費米子，如電子、中子、質(zhì)子，它們的自旋為1/2。具有整數(shù)自旋的粒子叫玻色子，如光子，p-介子，它們的自旋為1。對于費米子，由于泡利不相容原理的緣故，每個狀態(tài)只允許填一個粒子。而對于玻色子，粒子在各狀態(tài)上的填充數(shù)不受限制。溫度降到一個特定值后，越來越多的玻色子處于能量最低的，也就是動量為零的狀態(tài)。這個現(xiàn)象叫做玻色—愛因斯坦凝聚。這里所說的凝聚不是通常說的那種氣體變液體的凝聚，而是“動量凝聚”。也就是說，許多分子都轉(zhuǎn)到動量為零的狀態(tài)，這就使得它們在坐標(biāo)空間中還是在容器中的液體，而此時液體的流動性發(fā)生了突變。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流轉(zhuǎn)變就是這種“凝聚”。
氦3的超流體現(xiàn)象
直到20世紀(jì)70年代末科學(xué)家才觀測到氦3的超流體現(xiàn)象，因為使氦3出現(xiàn)超流體現(xiàn)象的溫度只有氦4的千分之一。愛因斯坦預(yù)言，原子氣體冷卻到非常低的溫度，所有原子會以最低能態(tài)凝聚，物質(zhì)的這一狀態(tài)就被稱為玻色－愛因斯坦凝聚。玻愛凝聚態(tài)物質(zhì)就是超導(dǎo)體和超流體，它實際是半量子態(tài)，在半量子態(tài)下，費米子象玻色子一樣可以在狹小空間內(nèi)大量凝聚。外地核就是玻愛凝聚態(tài)的超流體物質(zhì)，內(nèi)地核則由中微子構(gòu)成，都是高密度、大質(zhì)量形態(tài)。
超流體是超低溫下具有奇特性質(zhì)的理想流體，即流體內(nèi)部完全沒有粘滯。超流體原理的應(yīng)用尚在研究之中。不過，這一領(lǐng)域已經(jīng)曙光初現(xiàn)。2002年，德科學(xué)家實現(xiàn)銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)可逆轉(zhuǎn)換。世界科技界認(rèn)為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。這一成果被中國兩院院士評為2002年世界十大科技進展之一。
超流現(xiàn)象和探月工程
中國人的探月初步設(shè)想
斥資14億花3年半建造的“嫦娥一號”于2007年10月24日傍晚飛向了太空，并且已于11月5日上午繞月飛行，中國人的探月初步設(shè)想有四個：
第二個，用光譜分析的辦法，探測月球上的多種礦物元素。月球上估計大概有100多種礦物元素，美國探測了5種，我們這一次再加9種，一共要探測14種元素；
第四個，在飛行的過程中探測地月空間環(huán)境狀況。
新發(fā)現(xiàn)的超流現(xiàn)象
同時具有玻色子和費米子性質(zhì)的超流現(xiàn)象
在量子力學(xué)的世界中，經(jīng)常能夠看到令人驚訝的新發(fā)現(xiàn)。例如，最近科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的超流，它具有非常奇特的性質(zhì)，不能用其他的超流來解釋。這個發(fā)現(xiàn)是由美國華盛頓州西雅圖大學(xué)的Aurel Bulgac和Joaquin E. Drut與波蘭華沙技術(shù)大學(xué)的Piotr Magierski合作完成的，它為科學(xué)家們提供了一種新的同時具有費米子和玻色子性質(zhì)的混合態(tài)超流。研究論文發(fā)表在3月10日的《Physical Review Letters》雜志上。
Bulgac說：“通過簡單的改變溫度，你就能把玻色子系統(tǒng)變成費米子系統(tǒng)。迄今為止，這個現(xiàn)象在其它任何系統(tǒng)中都不常見。”
使這種超流值得關(guān)注的原因是，它同時具有玻色子和費米子的性質(zhì)。而物質(zhì)一般要么是玻色子，要么是費米子，玻色子一般都是由費米子組成的。一旦粒子形成了，它們的性質(zhì)就很難改變。
與一般的普通超流不同
另一個值得關(guān)注的奇特現(xiàn)象是這種超流的熱力學(xué)性質(zhì)與一般的普通超流不一樣。玻色子超流中顯示的是玻色子間的相互作用，費米子超流中則是費米子間的相互作用。但是在這種混合系統(tǒng)中，量子粒子之間的相互作用卻非常微弱。Bulgac說：“超流性質(zhì)實際上是一種相互作用，這種相互作用很強，但是它不在熱力學(xué)性質(zhì)中表現(xiàn)出來。我們知道這個新發(fā)現(xiàn)是超流，但是它的熱性質(zhì)與其他超流不同。”
與高溫超導(dǎo)體聯(lián)系起來
這種新的超流態(tài)的存在可能提供一種對物質(zhì)更好的認(rèn)識，尤其是當(dāng)把它與高溫超導(dǎo)體聯(lián)系起來時。Bulgac解釋說：“盡管科學(xué)家們已經(jīng)能夠制造出高溫超導(dǎo)體，但是他們對高溫超導(dǎo)體的認(rèn)識并不完善。這種新的混合態(tài)超流有很多與高溫超導(dǎo)體類似的特征，我們希望這種超流更容易理解，然后就能把類似的想法類推到高溫超導(dǎo)體上去。”
Bulgac和同事們認(rèn)為這種新的超流態(tài)不僅能夠揭開超導(dǎo)體的秘密，而且對研究恒星和其他凝聚態(tài)系統(tǒng)也有幫助，另外對設(shè)計新材料也有參考價值。
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