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爲什麼在超流體世界中沒有速度限制?

http://finance.sina.com   2020年09月27日 18:38   北京新浪網

在超流體中,奇特粒子附着在物體所有表面,從而防止其與大部分超流體相互作用。在超流體中,奇特粒子附着在物體所有表面,從而防止其與大部分超流體相互作用。

  新浪科技訊 北京時間9月28日消息,據國外媒體報道,在冰冷稠密的氦-3超流體介質中,科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制,而不會破壞脆弱的超流體本身。

  由於這與我們對超流體的理解互相矛盾,這帶來了一個難題。但是現在,通過重新創建和研究這一現象,物理學家已經弄清楚其中緣由。超流體中的粒子會附着在異物上,阻止異物與大部分超流體進行相互作用,因而也避免了破壞超流體。

  英國蘭卡斯特大學的物理學家薩利姆·奧蒂說:“對於穿過其中的鋼絲棒而言,氦-3超流體彷彿是真空般存在,儘管實際上它是相對稠密的液體。但其中沒有一點阻力。這個非常有趣。”

  超流體是一種黏度爲零、摩擦也爲零的流體,因此流動時也不會損失動能。氦-4玻色子可以相對容易地成爲超流體。當溫度控制得恰到好處,只比絕對零度高一點點的時候,氦-4玻色子可以放緩速度以重疊形成高密度的原子團,該原子團可以充當一個“超原子”。

  但是,這些“超原子”只是超流體的一種。另一種超流體則基於玻色子的同胞——費米子。費米子是包括原子構造塊(如電子和夸克)的粒子。

  冷卻到一定溫度以下後,費米子會結合在一起,形成所謂的庫珀對。每個庫珀對由兩個費米子組成,這兩個費米子共同形成一個符合玻色子。這些庫珀對的行爲與玻色子幾乎一模一樣,因此也可以形成超流體。

  然後,該研究團隊利用氦-3製造出費米超流體。氦-3是一種稀有的氦同位素,比氦少了一個中子。當冷卻到只比絕對零度(-273.15攝氏度)高几個毫開爾文溫度時,氦-3會形成庫珀對。

  這些超流體非常脆弱。若物體超過一定速度(臨界Landau速度)穿過該超流體的話,其中的庫珀對就會分裂。

  然而,在2016年的一篇論文中,蘭開斯特大學的研究人員發現,一根鋼絲棒可以以高於臨界速度的速度穿過氦-3超流體,而不會破壞庫珀對。

  在他們的後續實驗中,研究人員還測量了使鋼絲棒穿過超流體所需的力。當鋼絲棒開始移動時,他們測得十分微小的推力;但是一旦鋼絲棒移動起來,保持鋼絲棒移動的力就變爲了零。簡言之就是,輕輕一推,鋼絲棒就會動起來。

  研究團隊最後總結說,初始力來自鋼絲棒周圍運動的庫珀對,以適應變化狀態,這些庫珀對從而對鋼絲棒施加了一點點的啓動力。但是,之後,鋼絲棒便可以自由移動,彷彿披上了庫珀對的僞裝外衣一般。

  “通過使鋼絲棒改變運動方向,我們可以得出結論,即哪怕鋼絲棒的速度很好,該鋼絲棒也可以藉助覆蓋在其上的例子隱藏在超流體中,”蘭開斯特大學的物理學家艾什·詹寧斯說。

  這一新發現可能會帶來一些有趣的啓發。

  費米超流體可用於製造超導體,而超導體仍在研究中,是量子計算機的重要組成部分。瞭解超流體的性質有助於我們更接近製造超導體的目標。(勻琳)

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