互动科普

下一种超冷物态

物理学家即将发现一种新的物质状态。

Graham P. Collins

超导体、原子核以及中子星等多种物质中都能出现这种状态。目前有几个研究小组在实验室中竞相工作，希望在超冷气体中观测到微小斑点，再现这种状态。目前它还处于理论研究领域，一旦他们获得成功，就能够开展实验研究。这是一种超流态，根据理论预测，通常情况下相互排斥的量子粒子彼此结合成对，这时它们的集体行为表现就像一团流体一样。

这种超流态涉及到一大类被称为费米子的量子粒子。根据量子力学，自然界中的粒子要么是玻色子，要么是费米子。这两类粒子特性的区别在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，形成玻色-爱因斯坦凝聚；费米子则与之相反，它们更像是个人主义者，各自占据着不同的量子态。当物体冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们是在不同能态上堆叠起来的，就像人群涌向一段狭窄的楼梯时那样。大部分最低能态都被单个费米子占据，这种状态称为简并费米气体。

1999年，科罗拉多博尔德大学实验天文物理学联合学院(JILA)的Deborah S. Jin和Brian De-Marco，在磁阱的一小团钾原子云中首次生成了简并费米原子气。然而这种简并气体还不是故事的全部。在液态3He以及超导体中的电子等类似的简并系统中，出现了新现象：有些费米子成对结合，形成了所谓的库柏对。这些库柏对表现出玻色子的特性，形成与玻色-爱因斯坦凝聚非常类似的一种超流态。液态3He的超流体性质就源于此，而在超导体里，这种特性能使电流无阻抗流动。

这样的超流态能在气态费米系统中实现吗?理论推测，生成原子库柏对所需温度比出现简并态所需温度要低得多，以目前的科技水平，要在实验室里获得这种低温还是不现实的。然而最近有人提出了另外的解决办法，因为库柏对的生成不仅依赖于温度，还依赖于原子间的相互作用。与其降低气体的温度，何不尝试增强原子间的相互作用呢?幸运的是，自然给我们提供了一种简便的方法来调整原子间的相互作用。通过施加强度合适的磁场，产生核磁共振效应，这时原子间会产生强大的引力或斥力。生成库柏对需要的是引力。

2002年末，杜克大学John E. Thomas领导的小组利用这项技术对6Li原子进行了实验，实验结果明显表现出超流体特性。被囚禁的气体呈薄圆柱体形，一旦撤去制造磁阱的激光束，气体就会迅速膨胀成为碟形，这是因为它在圆柱体轴心方向的膨胀很小。根据此前的预测，膨胀的各向异性被认为是超流态出现的标志。

然而杜克大学研究小组指出，其他效应也可能导致膨胀的各向异性。事实上，今年早些时候，Jin的小组以及巴黎高等师范学校的Christophe Salomon和同事们，都在不可能存在超流态的情况下，实验观测到了类似的各向异性膨胀现象。

我们需要能够找到直接检测到库柏对或超流体的技术。Jin和麻省理工学院Wolfgang Ketterle的小组最近提出了新方法，用微波研究被囚禁的简并气体中原子的精确状态。如果真的存在库柏对，它们的束缚能就应该可以清楚的显示出来。

近期有几个小组正在研究束缚松散的双原子分子在气态时的结构。

【何毓嵩/译；杨光/校】