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“费米子凝聚态”宇宙中物质的第六种形态!

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宇宙的小小百科 2021-09-20 14:54

当有人问,物质到底有几种状态的时候,我相信有大多数人都会回答道:“会有三种状态:固态气态和液态。”这是我们在上学时知道的理论知识。事实上,这个答案是不正确的。物体至少有六种状态:“固体态”、“液体态”、“气体态”、还有“等离子体态”、“和玻色-爱因斯坦凝聚态"以及国外研究人员近年来发现的一种比较神秘的新状态——费米子凝聚态(又叫费米子冷凝态)。

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玻色子和费米子

在说费米子的凝聚态之前,我们需要认识两个问题:第一个问题是玻色子和费米子是什么,它们有什么区别,还有一个问题是玻色子-爱因斯坦凝聚态又是什么。

让我们来介绍,玻色子和费米子是什么。很多人不熟悉这两个概念谁什么。首先,说到物质的粒子,大多数人第一个想到的是电子、原子、光子等一些粒子。其实,大自然中的几乎所有物质的粒子都可以分为两种,即:玻色子或费米子。玻色子和费米子之间的差异反映在“自旋”的量子力学性质上。玻色子是自旋量子数为整数的粒子,费米子则是自旋量子数为半整数的粒子。两种自旋不一样的地方会导致费米子和玻色子会有完全不同的特殊性质。

玻色子是“温顺”的粒子,可以处于相同的量子态。玻色子的分布与温度有关。比如,当温度非常高的时候,玻色子的原子则会“各管各的”:当温度低于临界值时,会有大量玻色子原子会聚集在“最低能级”。普通的钠原子是玻色子。费米子是一些具有强独立性的“群外”粒子,它们相互排斥。如果一个费米子占据一个能级位置,其他费米子将不得不进入更高的量子能级。费米子,包括一半元素周期表中的电子、夸克和原子,不会自行聚集在一起。它们只有在其特性被外力改变后才能聚集在一起。

玻色-爱因斯坦凝聚态

如果我们让一些玻色子的原子继续冷却……直到他们不再寒冷。例如,当温度接近绝对零度(-273.15℃)时,奇迹发生了——所有的原子不再是独立的,也不再能区分你、我和他。它们似乎已经变成了一个超级原子!玻色-爱因斯坦凝聚态,这就是物质的第五种形态。

有一个关于为什么它被称为玻色-爱因斯坦凝聚的故事。早在1929年,有一位青年印度物理学家Bose,他提出了一种有关原子的新的理论。他认为,我们不可能在原子尺度上区分两个相似原子(如两个氧原子)之间的差异。由于该理论不同于传统理论,即它可以区分同一类原子中每个原子的“面”,因此它被剥夺了发表的权利。然后,Bose将他的文章寄给了爱因斯坦。爱因斯坦非常重视Bose的文章。他将“玻色理论”应用于“原子气体”,并预测在常温下,原子有可能处于任何的能级,但是,在超低温下,原子很可能会突然下降到最低能级。在这种状态的大量原子的行为,有可能就会像一个大的“超级原子”,并且有完全一样的物理特性。后来,物理世界称这种物质状态为玻色-爱因斯坦凝聚态。

有一种理论,但很难证明它。我们必须能够创造出令人信服的凝结水。玻色-爱因斯坦凝聚体的形成并不容易。一方面,我们需要创造一个非常低的温度,在这个温度下原子可以凝聚在一起。另一方面,我们也需要原子处于气态。物质如何在非常低的温度下保持气态?这真是无数科学家头疼的问题。后来,物理学家们发现,一些碱金属、氦原子、钙和其他原子气体由于制冷不会出现液态,更不用说高度聚集形成传统固体了。

实验对象有,但他们没有条件冷却到足够低的温度。随着现代科学技术的飞速发展,电磁驱动磁阱技术和激光冷却技术由此诞生。后来,在玻色-爱因斯坦凝聚态理论提出75年后的1997年5月,有两位科学家康奈尔、魏曼和科特勒这三个人它们首次在铷原子蒸气中直接观测到了玻色-爱因斯坦凝聚。这三位科学家还获得了2000年诺贝尔物理学奖。从那时起,这个领域经历了爆炸性的发展。在目前呢,地球上已有十几个研究团队在稀有原子气体中,实现了制造并观测玻色-爱因斯坦凝聚态。

费米子冷凝物

费米子凝聚态是如何产生的?由于没有两个费米子具有相同的量子态,许多人认为费米子凝聚是不可能的。然而呢,研究“费米子凝聚态”的科学家们坚持“大胆实验、仔细观察”的科学实验精神,他们非常小心的向这个陌生的科学领域前进。

由于费米子的“排外”特性,这种特性使得它们不能凝聚在一起。但是,科学家们相信,如果用一些方法来改变费米子的性质并将其转变为玻色子,就可能实现凝聚。后来,他们找到了对付这些不爱“交际”的费米子的方法。于是,他们非常小心地,像爱神丘比特一样,用磁场作为“金箭”射向费米子,促使费米子们来匹配。就这样,两个自旋为半整数的费米子就形成了自旋为整数的费米子对。

有某一些科学家他们甚至可以通过调节某些磁场来控制配对的力度。配对后,费米子保留了一些自己的特性,但摆脱了“脱离群体”的坏习惯。和玻色子一样,在超低温的温度下,一对费米子和另外一对费米子不断地结合。结果呢,所有的气体原子突然凝结成一种凝聚态,就像玻色-爱因斯坦凝聚态,最后形成费米子凝聚态。不同的研究小组使用不同的对象和方法来促进费米子配对。奥地利因斯布鲁克大学的科学家冷却了锂-6原子,并施加了稳定的磁场来促进费米子的结合;科罗拉多州“联合实验室天体物理研究所”采用的技术略有不同。他们冷却钾40个原子并施加磁场。通过设备改变磁场强度,每个原子就会强烈吸引附近的原子,从而“引诱”它们形成一对一对的原子,然后就会凝聚成玻色-爱因斯坦凝聚体。

为什么我们选择钾和锂作为费米子凝聚研究的实验对象?这种选择并不是比较刻意的,而是与所使用的技术有关。将气体冷却到非常低的温度需要几个步骤。第一是使用“激光”技术,将气体降至到几乎接近绝对零度。然后呢,将原子放入一个“磁力陷阱”,在这样的情况下,比较高能量的原子会被允许“逃逸”,就像皮肤汗水蒸发了一样。冷却后,剩余的原子保持在朗克温度。最后是将原子“移动”到“光学”阱中,然后继续蒸发和冷却,最终达到临界值的温度,在这个温度下,气体将浓缩到“超液态”,温度约为52nk。

在一系列的激光冷却操作中,最容易“驾驭”的化学元素是化学元素周期表中第一列中的元素。在第一列的几种元素中,只有“锂-6”和“钾-40”是最稳定的,也是“长寿”费米子。因此,所有进行费米子研究的研究小组都使用这两种元素中的一种。

有两个研究小组用费米子代替玻色子制造出了了玻色-爱因斯坦凝聚态物。这一研究具有重要意义。正如瑞秋大学的物理学家舒利特所说:“以前没有人见过分子的玻色-爱因斯坦凝聚体。这是一个巨大的进步,也是一个非常重要的新研究方向。它可能导致研究超导体的不同新方法。”

世界上优秀的科学家创造的“世界第六种物质形态”,不仅仅是理论物理研究的迈出的一大步,而且呢,在实际应用中也具有非常重要意义。它将有助于下一代超导体的诞生。下一代的超导体技术在很多领域和学科中都具有重要作用。

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