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文档介绍:(1)超流体与量子涡旋
2016年9月27日,中国科学技术大学上海研究院潘建伟及其同事陈宇翱、姚星灿等在国际上首次实现了质量不平衡的玻色-费米双超流体,并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。这篇文章在正式发索)。
超流现象的发现意义重大,因其是一种可与超导媲美的宏观量子效应,掌握其性质可以帮助我们更好的理解新物理世界中的各种现象,比如中子星的内部就是超流体。如果我们对超流体的性质掌握了足够多的理论依据,就可以了解中子星的结构,包括超导的各种性质,也可以通过对超流的研究进行模拟。
当然,卡皮查只是发现了这种现象,究竟其中的原理如何,以及如何发现更多物质的超流态,还需要科学家们慢慢探索。
接下来,李(D. Lee)、奥谢罗夫(D. Osheroff)、理查孙(R. Richardson)等人成功地将液氦-
mK以下,并首次观测到了费米液体的超流性,获得1996年诺贝尔物理学奖。1996年诺贝尔物理奖三位获奖者。自左至右依次为:李(D.
Lee)、奥谢罗夫(D. Osheroff)、理查孙(R. Richardson)。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,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

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