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最新發(fā)現(xiàn)：偶極玻色-愛因斯坦凝聚體中，存在新的超固相！

2019-09-04 08:45 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

常見物質(zhì)以三種不同的形式存在：固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。然而過去的物理學(xué)研究揭示了物質(zhì)的其他奇特狀態(tài)，其中之一就是超固態(tài)。在超固態(tài)中，粒子被排列成剛性晶體，盡管如此，它們?nèi)匀豢梢栽跊]有任何摩擦的情況下穿過固體。

雖然這看起來很矛盾，但這種狀態(tài)是量子力學(xué)定律所允許的。丹麥奧爾胡斯大學(xué)(Aarhus University)一組研究人員現(xiàn)在進(jìn)行了一項研究，探索了偶極玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)的超固性，偶極玻色-愛因斯坦凝聚體是一種物質(zhì)狀態(tài)。

在這種狀態(tài)下，冷卻到接近絕對零度的單個原子結(jié)合成一個量子力學(xué)實體，其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，揭示了結(jié)晶發(fā)生的臨界點，并出現(xiàn)了一種新的超固相，其特征是規(guī)則的蜂窩狀結(jié)構(gòu)和近乎完美超流體。進(jìn)行這項研究的研究人員之一托馬斯·波爾(Thomas Pohl)表示：50多年前的推測表明，超固體性一直難以被觀測到，直到現(xiàn)在才有了新的發(fā)現(xiàn)。在接近絕對零度的溫度下，非常稀薄的原子氣體會被激光冷卻，并被困在其中。在這樣極端的條件下，原子可以共同形成所謂的玻色-愛因斯坦凝聚體。

這是一種量子態(tài)，代表了理想的無摩擦超流體。然而，人們自然不會期望這種稀釋、自由流動的液體會結(jié)晶?？茖W(xué)家被超固態(tài)的奇異性質(zhì)所吸引，想知道如果原子以合適的方式相互作用，這是否可能。本世紀(jì)初，研究人員提出，由粒子形成的偶極玻色愛因斯坦凝聚體，就像小磁鐵一樣，可以在相當(dāng)長的距離內(nèi)相互吸引和排斥。在研究中，Pohl和同事張永昌（音譯）和Fabian Maucher觀察到，這種偶極凝聚的量子漲落可以導(dǎo)致在臨界點(即相圖中的一個點。在該點上，物質(zhì)的兩個相變得不可分辨。這本質(zhì)上意味著，偶極冷凝物實際上可以是超固態(tài)。

這正是研究人員在開始研究時所希望的。然而在計算產(chǎn)生了進(jìn)一步的驚喜，特別是與量子流體結(jié)晶的方式有關(guān)。當(dāng)把冰塊放入一杯水中時，它需要一段時間才能完全融化，換句話說，水在融化或凍結(jié)的過程中可以以液體和固體的形式共存，這種行為在許多其他物質(zhì)中都很典型。令人驚訝的是，研究發(fā)現(xiàn)超固體以一種特殊的方式凍結(jié)，在這種方式下，原子要么是完全液態(tài)的，要么是完全固態(tài)的，而液體和晶體幾乎完全相同，就在兩相轉(zhuǎn)變而不共存的時刻。Pohl、Zhang和Maucher進(jìn)行的分析揭示了一種新超固體，這與他們最初預(yù)期的非常不同。

偶極量子流體不再是原子排列在典型晶格上，而是形成了蜂窩狀結(jié)構(gòu)。然而，與蜂窩狀結(jié)構(gòu)相反，蜂蜜是一種粘性流體，在這種結(jié)構(gòu)中，偶極原子可以沿著超流體“蜂巢”的脊線自由移動。研究人員發(fā)現(xiàn)了這種奇特的物質(zhì)形式，在這種物質(zhì)中，粒子可以在完全由液體本身構(gòu)成的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中流動，而且?guī)缀跏橇阏扯取Ｑ芯咳藛TFabian Maucher說：我們的理論研究是基于宏觀量子力學(xué)波函數(shù)的分析和數(shù)值模擬，該函數(shù)描述了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)中偶極原子的狀態(tài)。正如之前研究所指出的，一個特別重要的方面是在描述中包括量子力學(xué)關(guān)聯(lián)和量子漲落。

事實上，事實證明，這種量子漲落促進(jìn)了蜂窩固體及其不尋常的凍結(jié)行為，否則就不會存在。正如研究發(fā)現(xiàn)所示，這種超固態(tài)可以追溯到偶極縮合物中量子漲落的影響。在未來，研究人員計劃進(jìn)一步研究這些發(fā)現(xiàn)，并開展更多關(guān)于偶極玻色-愛因斯坦凝聚的研究。同時，其他研究團(tuán)隊也在探索偶極量子流體的行為，包括理論和實驗。偶極量子流體已經(jīng)成為超固體行為的一個令人興奮的新平臺，它將繼續(xù)挑戰(zhàn)我們對超固體行為的理解，并揭示關(guān)于這種迷人物質(zhì)量子狀態(tài)的驚喜和新見解。