造就Talk零摩擦力滑行的超固体是啥?玻色–爱因斯坦凝聚态也许能揭开秘密


科学家证实玻色–爱因斯坦凝聚态(Bose Einstein condensate , 简称BEC)的存在至今已有20多年时间 。 事实证明 , BEC的最佳应用之一 , 是可以探索其他量子事物 , 比如固体——没错 , 固体的特性是由量子力学决定的 。
在那些固体中 , 有一种富有争议、有可能并不存在、目前还停留在理论阶段的固体:超固体 。 现在 , 两位理论物理学家证明 , 研究人员最近观察到的BEC“液滴” , 也许是制备类超固体材料的一种方法 。 这可能为我们带来了一种探索超固体特性的途径 , 同时也绕开了与传统材料有关的种种困难 。
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玻色–爱因斯坦凝聚态
BEC是一种需要特定类型粒子才能获得的物质状态 。 粒子世界基本上可以分为两个阵营:要么是费米子 , 要么是玻色子 。 费米子彼此看不顺眼 , 所以它们会按照从低能量到高能量的顺序积聚起来 。 任何两个彼此够得着的费米子必然是不同的 , 那可能意味着不同的能量状态 , 不同的自旋 , 或者其他一些不同的特性 , 但它们必须是不同的才行 。 几乎所有事物都是由费米子组成的 , 宇宙之所以是现在这个样子 , 就是由费米子的积聚方式决定的 。
玻色子与此不同 。 它们乐于待在一起 , 并在同一状态下“聚会” 。 它们不仅不介意拥有相同的状态 , 而且它们喜欢这样 。 如果几个玻色子发现自己处在同一状态 , 它们会立刻“呼朋唤友” , 让朋友们也加入进来 。 而且 , 如果玻色子有办法产生足够的能量 , 它们一定会那样做 。 其结果就是 , 我们能够相对容易地制备非常冷的玻色子气体 , 它们都处于完全相同的量子状态 , 也就是BEC 。
然而 , 并非所有的玻色子和BEC都是相同的 。 尽管玻色子喜欢处于同一状态 , 但大多数玻色子都是复合粒子 , 也就是说 , 它们的一些组成部分是费米子 。 因此 , 也会有一些力量在发挥作用 , 试图把原子驱逐出BEC 。 把BEC聚合在一起的引力以及试图把它打散的斥力 , 这两种力之间的相对强度是受到实验控制的 。 怪异的固体
对BEC进行观察时 , 我们发现了一个略显怪异的现象:当条件合适时 , 某些类型的BEC会形成液滴阵列 。 我们已经观测到 , 它们会形成一系列具有相对高密度、间隔均匀的球体 , 但我们不知道它们为何会如此 。 此外 , 我们也不知道那些液滴具有何种特性 。
对这种现象进行了合理透彻的探究之后 , 两位理论物理学家回答了其中的一些问题 。 首先 , 液滴的形成代表着力的平衡 。 如前所述 , 一边有把BEC聚合在一起的引力 , 另一边有把它打散的斥力 。 对于那些能够形成液滴的BEC类型 , 斥力不仅会随着密度的变化而变化 , 还跟原子序数存在密切关联 。 少数原子可以紧密结合在一起 , 但这个数字不能太大 , 否则原子就会被打散 。 这意味着 , BEC形成了一些高密度的液滴 , 而它们全都相互排斥 。 把它们放到用来控制BEC的陷阱里 , 我们就能得到一个漂亮整齐的二维液滴阵列 。
研究人员想弄明白 , 液滴是否仍然是同一个BEC的组成部分 。 BEC之所以能成为单一实体 , 是因为其原子之间的一种集体行为 。 然而 , 那种集体行为要求不同的BEC液滴连接在一起 , 而这种连接的表现形式就是原子在它们之间移动 。
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研究人员已经证明 , 如果陷阱把液滴压在一起 , 原子会在不同的液滴之间有规律地移动 , 这将让BEC得以维持其集体行为 。
但重要的是 , 他们发现 , 在这种情况下 , BEC会表现得像一个超固体 。 但随着液滴远离彼此 , 原子无法继续在液滴之间移动 。 到了那个时候 , BEC就不再表现得像一个超固体了 。