超流（Super Fluidity）是一種宏觀范圍內(nèi)的量子效應(yīng)，主要體現(xiàn)在氦原子形成的緊密集體中。這種現(xiàn)象最早由P. Kapitza在1937年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他將液氦-4的溫度降至2.17K以下，觀察到其表現(xiàn)出一系列異常的性質(zhì)。超流現(xiàn)象的研究歷史悠久，相關(guān)成果多次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨著超冷原子凝聚的發(fā)展，這一領(lǐng)域的研究取得了顯著進(jìn)展。
歷史背景
1937年，蘇聯(lián)物理學(xué)家P. Kapitza發(fā)現(xiàn)，將液氦4的溫度冷卻至2.17 K以下時(shí)，它能夠很快流過0.5 μm寬的玻璃狹縫，他將這種沒有粘滯性的流體稱之為超流，一種可與超導(dǎo)媲美的宏觀量子效應(yīng)。20世紀(jì)40年代，物理學(xué)家L. Onsager、L. Landau、R. 理查德·費(fèi)曼等人在理論上發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超流體宏觀波函數(shù)中存在拓?fù)淦娈慄c(diǎn)，原子會(huì)圍繞這些拓?fù)淦娈慄c(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)——這就是所謂的量子渦旋。
物理學(xué)家對(duì)超流以及量子渦旋的研究已持續(xù)了近一個(gè)世紀(jì)，并獲得了多項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。P. Kapitza首次觀測(cè)到薩特延德拉·玻色液體的超流現(xiàn)象，獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；L. Landau提出了超流體的量子理論，解釋并預(yù)言了超流體的許多重要性質(zhì)，獲得1962年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；D. Lee、D. Osheroff、R. Richardson等人成功地將液氦3冷卻至2.5 mK以下，并首次觀測(cè)到了恩里科·費(fèi)米液體的超流性，獲得1996年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；A. A. Abrikosov通過求解Ginzburg–Landau方程，發(fā)現(xiàn)量子渦旋會(huì)遵循能量最低原則，排列成周期性的晶格結(jié)構(gòu)；A. Leggett提出了一種新的量子理論，揭示了液氦-3費(fèi)米超流的機(jī)理，他們因此分享了2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
自從實(shí)現(xiàn)液氦-3費(fèi)米超流以來，物理學(xué)家們就不斷嘗試將具有不同統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的兩種液氦混合在一起，以期能實(shí)現(xiàn)薩特延德拉·玻色費(fèi)米雙超流體這一全新的量子物態(tài)。科學(xué)家們認(rèn)為在這種量子物態(tài)中將會(huì)存在一種獨(dú)特的相互作用，能夠被用來研究和理解超導(dǎo)中的電聲子耦合。令人遺憾的是，由于氦原子之間的相互作用太強(qiáng)，即使將液氦冷卻至100 μK以下，仍然無法實(shí)現(xiàn)氦-3和氦-4的雙超流。與液氦相比，超冷原子具有無與倫比的可控性與純凈性，已逐漸成為實(shí)現(xiàn)并研究超流體最為理想的物理體系。
物理特性
液氦性質(zhì)
在2.17K以下，氦4進(jìn)入超流態(tài)。超流的液氦具有以下性質(zhì)：
首先，液氦能沿極細(xì)的毛細(xì)管（管徑約0.1微米）流動(dòng)而幾乎不呈現(xiàn)任何粘滯性。這一現(xiàn)象最先由卡皮查于1937年觀察到，稱為超流性。
其次，如果用一細(xì)絲懸掛一薄盤浸于液氦中，讓圓盤作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，則盤的運(yùn)動(dòng)將不受阻力。
第三，當(dāng)液氦由容器A中通過多孔塞（或極細(xì)的毛細(xì)管）流出時(shí)，A內(nèi)的液氦的溫度升高（如右圖所示）。這一現(xiàn)象好如機(jī)械致熱效應(yīng)。其逆過程稱為熱機(jī)械效應(yīng)，即：當(dāng)升高A內(nèi)的溫度時(shí)，其中液氦的液面將上升，若A本身是一毛細(xì)管，則將觀察到液氦從上口噴出，故也稱噴泉效應(yīng)。
導(dǎo)熱性
另外，液氦還具有極好的導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率為室溫下銅的800倍。
以上這些性質(zhì)都表現(xiàn)為宏觀現(xiàn)象，事實(shí)上卻是超流液氦的量子效應(yīng)。不同于宏觀物體，微觀粒子除了坐標(biāo)空間的動(dòng)量外，還有一種“內(nèi)部”角動(dòng)量——自旋。粗略地說，可以把它看成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的小陀螺，有一個(gè)小磁矩。具有半整數(shù)自旋的粒子稱為費(fèi)米子，如電子、夸克，中微子，它們的自旋為1/2。具有整數(shù)自旋的粒子叫玻色子，如膠子，光子，引力子，W 及Z 玻色子，它們的自旋為1。對(duì)于費(fèi)米子，由于泡利不相容原理的緣故，每個(gè)狀態(tài)只允許填一個(gè)粒子。而對(duì)于玻色子，粒子在各狀態(tài)上的填充數(shù)不受限制。溫度降到一個(gè)特定值后，越來越多的玻色子處于能量最低的，也就是動(dòng)量為零的狀態(tài)。這個(gè)現(xiàn)象叫做薩特延德拉·玻色—阿爾伯特·愛因斯坦凝聚。這里所說的凝聚不是通常說的那種氣體變液體的凝聚，而是“動(dòng)量凝聚”。也就是說，許多分子都轉(zhuǎn)到動(dòng)量為零的狀態(tài)，這就使得它們?cè)谧鴺?biāo)空間中還是在容器中的液體，而此時(shí)液體的流動(dòng)性發(fā)生了突變。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流轉(zhuǎn)變就是這種“凝聚”。
新型超流
量子物理新認(rèn)識(shí)
科學(xué)家首次在長(zhǎng)程鐵磁體中發(fā)現(xiàn)自旋三重態(tài)超流。布朗大學(xué)和亞拉巴馬州大學(xué)的這個(gè)發(fā)現(xiàn)突破了長(zhǎng)期以來人們對(duì)量子物理的認(rèn)識(shí)，并且可能給新興的自旋電子學(xué)帶來益處。這項(xiàng)研究發(fā)表在Nature雜志上。
超導(dǎo)現(xiàn)象
電流在不受電阻阻礙時(shí)，就會(huì)發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)在粒子加速器、磁共振成像和磁浮列車等方面有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)量子物理理論，傳統(tǒng)的超導(dǎo)現(xiàn)象一般不會(huì)在鐵磁體中發(fā)生。當(dāng)電子通過鐵磁晶體材料時(shí)，磁疇會(huì)重新排布，所以不會(huì)發(fā)生無電阻的超導(dǎo)現(xiàn)象。盡管曾經(jīng)觀察到鐵磁體中的超流，但那只是因?yàn)殡娮釉诜浅６痰木嚯x內(nèi)沒有感受到電阻。
三重態(tài)超流
最近，荷蘭代夫特技術(shù)大學(xué)、布朗大學(xué)和亞拉巴馬州大學(xué)組成的研究小組發(fā)現(xiàn)：一種奇特的鐵磁體中產(chǎn)生了自旋三重態(tài)超流。他們的實(shí)驗(yàn)裝置在磁體中制備出電子自旋三重態(tài)，除了一般標(biāo)準(zhǔn)的自旋朝上和自旋朝下兩種狀態(tài)之外，他們還觀察到一種中間態(tài)。我們可以用行星的自轉(zhuǎn)想象一下，它們的旋轉(zhuǎn)方式有兩種：北極朝上或朝下。但是現(xiàn)在觀測(cè)到的第三種態(tài)相當(dāng)于是行星繞著北極轉(zhuǎn)動(dòng)了90度的軸旋轉(zhuǎn)。盡管理論中已經(jīng)預(yù)言了鐵磁體中可能存在這種自旋三重態(tài)，但是這是首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到這種現(xiàn)象。
另外，研究小組還指出，這種超流可以流過一段相對(duì)較長(zhǎng)的距離。以前的實(shí)驗(yàn)中，夾在超導(dǎo)體之間的鐵磁體只允許一納米厚，現(xiàn)在能夠達(dá)到300納米。
布朗大學(xué)教授肖剛（音譯）和他的學(xué)生以及亞拉巴馬大學(xué)的同事花了八年時(shí)間來完善他們的鐵磁體。他們制出的鐵磁體呈黑色，只有郵票大小，厚度只有一個(gè)原子那么厚。為了制造這種鐵磁體，他們把鉻的氧化物加熱成蒸汽，然后把蒸汽鍍到鈦的氧化物膜上，從而在鈦層上形成一層單晶層。然后，這種磁體被送到荷蘭代夫特技術(shù)大學(xué)，在那里，研究人員們?cè)阼F磁體表面放上很多微小的超導(dǎo)電極，在用電子束切割電極，形成300納米寬的間隙，最后就可以檢驗(yàn)它的電流性質(zhì)了。
肖剛希望這種新型的鐵磁體可以推進(jìn)目前非常熱門的自旋電子學(xué)的發(fā)展。傳統(tǒng)的電子學(xué)通過電子電荷傳導(dǎo)電流，而自旋電子學(xué)則是傳導(dǎo)電荷和自旋信息，它們可以制造更小、更快、更廉價(jià)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和處理器。自旋電子學(xué)在計(jì)算機(jī)HDD上已經(jīng)有應(yīng)用了。目前，隨機(jī)存儲(chǔ)器和自旋晶體管也正在開發(fā)之中。
最新研究
2016年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、姚星燦等對(duì)超冷原子實(shí)驗(yàn)操控技術(shù)進(jìn)行了全方位的革新，搭建了一套可以同時(shí)冷卻操控鋰和鉀原子的世界領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過發(fā)展新一代的激光冷卻、高效率磁輸運(yùn)、光阱陷俘、高分辨成像等核心技術(shù)，研究人員最終成功地在一種獨(dú)創(chuàng)的“碟片交叉光阱”中首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量不平衡的薩特延德拉·玻色恩里科·費(fèi)米雙超流體。在實(shí)現(xiàn)玻色-費(fèi)米雙超流體后，研究團(tuán)隊(duì)迅速把目光投向玻色-費(fèi)米量子渦旋的研究。他們通過各種努力將各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化到極致，最終在10 nK的極低溫下，獲得了高達(dá)150萬鋰和20萬鉀原子的雙超流體，為產(chǎn)生和觀測(cè)玻色-費(fèi)米量子渦旋奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了極其精巧的光學(xué)裝置，產(chǎn)生了兩束直徑為20 μm、可以對(duì)稱地圍繞雙超流體轉(zhuǎn)動(dòng)的激光，如同攪拌咖啡用的勺子，使得超流體隨之旋轉(zhuǎn)起來。利用他們創(chuàng)造性發(fā)展的能夠同時(shí)對(duì)雙組份原子進(jìn)行高分辨成像的技術(shù)，通過精密調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)激光的位置、光強(qiáng)、頻率等參數(shù)，最終成功地產(chǎn)生并觀測(cè)到了薩特延德拉·玻色恩里科·費(fèi)米量子渦旋晶格。由此在國際上首次實(shí)現(xiàn)了一種全新的量子物態(tài)——質(zhì)量不平衡的玻色-費(fèi)米雙超流體，并在該雙超流體中成功地產(chǎn)生和觀測(cè)到玻色-費(fèi)米量子渦旋晶格。這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開辟了超冷原子領(lǐng)域全新的研究方向，為理解復(fù)雜宏觀量子現(xiàn)象提供了一種獨(dú)特的研究手段。國際物理學(xué)頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》以編輯推薦的形式發(fā)表了這項(xiàng)重要研究成果[Physical Review Letters 117, 145301 (2016)]，并在美國物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站Physics Synopsis欄目作亮點(diǎn)報(bào)道。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主W. Ketterle評(píng)價(jià)其為“一個(gè)精彩絕倫的實(shí)驗(yàn)工作”；諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主A. Leggett認(rèn)為，這是“極為重要的實(shí)驗(yàn)工作，將激發(fā)大量的理論研究”；麻省理工學(xué)院教授M. Zwierlein稱其為“超流研究領(lǐng)域一個(gè)里程碑式的工作”。
參考資料 >
聽說過超導(dǎo)，你知道他的孿生兄弟嗎？.聽說過超導(dǎo)，你知道他的孿生兄弟嗎？.2024-10-31
神奇的超流.科學(xué)網(wǎng).2024-10-31
2003 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——超導(dǎo)電性和超流動(dòng)性.2003 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——超導(dǎo)電性和超流動(dòng)性.2024-10-31