自然界的粒子按照特性可分为玻色子和费米子两大类。因此,玻色氦-4和费米氦-3的超流体分别单独实现,都成为超流领域的巨大突破。在此之后,直播,物理学家们开始尝试把它们混合在一起,实现玻色-费米双超流体这一全新的量子物态,而这比玻色子和费米子的单独实现要困难得多。 科学家们延续之前卡皮查等人的液氦冷却方法,即使将液氦冷却至100 μK以下,仍然无法实现氦-3和氦-4的双超流。对超流的研究似乎陷入了瓶颈,但与此同时,超流研究的另一个分支也在蓬勃发展,并逐渐取代液氦超流研究,成为超流研究的主流。 量子漩涡 20世纪40年代,物理学家昂萨格(L. Onsager,1968年诺贝尔化学奖得主)、郎道(L. Landau,1962年诺贝尔物理学奖得主)、费曼(R. Feynman,1965年诺贝尔物理学奖得主)等人在理论上发现了量子涡旋。
(左)拉斯·昂萨格、(右)列夫·郎道 什么是量子涡旋呢?我们都知道,用木棍在水中搅动就会形成旋涡,停止搅拌,旋涡就渐渐消失了。 可是超流体就不太一样,首先,它不是一搅动就会有旋涡,也不是什么搅拌棒都可以的。现在超流涡旋研究的主流是用激光作为“搅拌棒”,用光子作为容器(光阱),将超冷原子放置其中,开始搅拌。只有达到了某个临界速度,超流体才会开始出现涡旋,当继续匀速或加速“搅拌”,奇妙的现象发生了,在超流体的表面开始出现了多个涡旋,并且随着搅拌数量不断增加,最后成为像这样蜂窝煤一样的状态。 图中一个个黑点就是量子涡旋了 由于这些涡旋的排列遵循能量最低原理,即用最低的能量保持其涡旋状态,所以这些涡旋会自发的排成非常规则的形状——这就是量子涡旋。如果在实验中观测到像上图这样蜂窝煤样子的量子涡旋晶格,就意味着有绝对的证据证明超流的存在,并且通过研究量子涡旋,可以了解超流的更多性质。 郎道等人当时的发现看似对液氦超流实验并无太大关联,但对未来超冷原子超流体的研究意义重大。因为液氦超流可以通过降温使其失去粘滞性和穿越玻璃狭缝的方式直接证明其超流态的存在,但是后期实验转向超冷原子领域,这一领域的超流实验则是利用稀薄气体,肉眼不可观测,也无法构建测试其粘滞性的“毛细管”,提供其超流存在的确切证据。这时,通过制造量子涡旋来证明超流体存在,并进一步研究的实验就显得尤为重要了。 1995年,康奈尔、维曼、克特勒等人利用超冷原子(康奈尔和维曼使用铷原子,克特勒使用钠原子)实现了玻色-爱因斯坦凝聚即玻色超流体(他们三人因为实现了爱因斯坦预言的超流体而分享了2001年诺贝尔物理奖)后,科学家们逐渐将目光投向可控性更高、纯净性更强的超冷原子,利用其研究超流体的各种性质。 埃里克·康奈尔 卡尔·维曼 阿布里科索夫(A. A. Abrikosov)理论上发现量子涡旋会遵循能量最低原则,排列成周期性的晶格结构;莱格特(A. Leggett)提出了一种新的量子理论,揭示了液氦-3费米超流的机理,他们还一起分享了2003年诺贝尔物理学奖(需要注意的是,这些理论研究都是围绕液氦超流的理论研究,对于超冷原子超流的理论研究,目前还没有很大的进展,双超流领域更是基本空白)。 阿列克谢·阿列克谢维奇·阿布里科索夫 2005年,克特勒小组又利用锂原子实现了费米超流,并观测到量子涡旋晶格,确切的实验证明了费米超流的存在。 2011年,潘建伟、陈宇翱等人的超冷原子小组开始搭建实验室,尝试实现质量不平衡的玻色-费米双超流体(氦-4和氦-3都属于氦原子,质量平衡,在质量不平衡的不同原子状态下实现双超流难度更大)。 (责任编辑:本港台直播) |