物質(zhì)的第六態(tài)

唐承革

當(dāng)人們問起物質(zhì)有幾種狀態(tài)時(shí)，絕大多數(shù)的人會(huì)回答：“有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。”這是我們在小學(xué)就知道的知識(shí)。實(shí)際上，這個(gè)回答是不正確的。物體至少有6種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)以及近年來由美國研究人員發(fā)現(xiàn)的一種神秘的新狀態(tài)——費(fèi)米子冷凝態(tài)。

玻色子和費(fèi)米子

在介紹費(fèi)米子冷凝態(tài)之前，必須了解兩個(gè)問題，第一個(gè)是關(guān)于玻色子和費(fèi)米子的區(qū)別，另一個(gè)是什么是玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。首先，介紹一下玻色子和費(fèi)米子。一般人對于這兩個(gè)概念并不熟悉。當(dāng)談到物質(zhì)的粒子時(shí)，人們首先想到的是原子、電子、光子等。其實(shí)任何物質(zhì)的粒子都可以歸為兩類：玻色子或費(fèi)米子。玻色子和費(fèi)米子的區(qū)別體現(xiàn)在“自旋”這個(gè)量子力學(xué)的特性上，自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子為玻色子，而自旋量子數(shù)為半整數(shù)的粒子為費(fèi)米子。這種自旋的差異造成費(fèi)米子和玻色子有完全不同的特性。

玻色子是一些性格“溫順”的粒予，它們可以共處于同一量子狀態(tài)。玻色子的分布與溫度有關(guān)，溫度高時(shí)，玻色子的原子“各自為政”：當(dāng)溫度很低，低于臨界溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量玻色子原子在最低能級集聚的情況，普通的鈉原子就是玻色子。而費(fèi)米子卻是一些具有很強(qiáng)獨(dú)立性的“不合群”粒子，它們之間互相排斥，互不相讓。如果一個(gè)費(fèi)米子占據(jù)了一個(gè)能量級位置，其它的費(fèi)米子就不得不跑到能量較高的量子級上。費(fèi)米子，包括電子、夸克及半數(shù)元素周期表中的原子不會(huì)自己集聚在一起，必須借助外力改變它們的特性后才能聚在一起。

玻色－愛因斯坦冷凝態(tài)

如果我們讓一些玻色子的原子不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷，例如，接近絕對零度(－273.15℃)，這時(shí)奇跡出現(xiàn)了——所有的原子不再各自為政，再也分不出你我他了，它們似乎都變成了一個(gè)超大原子!這就是物質(zhì)第五態(tài)——玻色－愛因斯坦冷凝態(tài)。

為什么將它稱為玻色－愛因斯坦冷凝態(tài)，里面還有個(gè)故事。1924年，年輕的印度物理學(xué)家玻色提出了一種關(guān)于原子的新理論，他認(rèn)為在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個(gè)同類原子(如兩個(gè)氧原子)的不同。由于這個(gè)理論與傳統(tǒng)的、認(rèn)為可以辨別同類原子中每個(gè)原子“面孔”的理論不同，被剝奪了發(fā)表權(quán)。玻色于是將他的文章寄給愛因斯坦。愛因斯坦對玻色的文章十分重視，他將玻色的理論用于原子氣體中，進(jìn)而推測，在正常溫度下，原子可以處于任何一個(gè)能級上，但在非常低的溫度下，原子會(huì)突然跌落到最低的能級上，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個(gè)大超級原子，具有完全相同的物理性質(zhì)。后來物理界將物質(zhì)的這種狀態(tài)稱為玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。

理論有了，但要證明這個(gè)理論卻十分困難，必須能夠創(chuàng)造出這種冷凝物才能令人信服。要生成玻色－愛因斯坦冷凝物可不是一件容易的事。一方面需要?jiǎng)?chuàng)造使原子可以凝聚在一起的極低溫度，另一方面還需要這時(shí)的原子處于氣態(tài)。極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢?這實(shí)在令無數(shù)科學(xué)家頭疼不已。后來，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些堿金屬，還有氦原子和鈣等的原子氣體不會(huì)因制冷出現(xiàn)液態(tài)，更不會(huì)高度聚集形成常規(guī)的固體。實(shí)驗(yàn)對象有了，創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件卻不具備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光冷卻技術(shù)和電磁操縱的磁阱技術(shù)產(chǎn)生了，終于在玻色一愛因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，這個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展，目前世界上已有幾十個(gè)研究組在稀薄原子氣中實(shí)現(xiàn)了玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。

費(fèi)米子冷凝物

費(fèi)米子冷凝態(tài)是怎樣創(chuàng)造出來的呢?由于沒有任何兩個(gè)費(fèi)米子能擁有相同的量子態(tài)，費(fèi)米子的凝聚一直被很多人認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)。但是，從事費(fèi)米子冷凝態(tài)研究的科學(xué)家們秉承著“大膽假設(shè)，小心求證”的科學(xué)精神，慎重地向這塊未知的科學(xué)領(lǐng)域推進(jìn)。終于在2003年12月，美-國物理學(xué)家黛博拉·金負(fù)責(zé)的研究組創(chuàng)造出了世界上第一個(gè)費(fèi)米子冷凝物。

由于費(fèi)米子的“不合群”特性，不能凝聚在一起。科學(xué)家們認(rèn)為如果采用一些方法改變費(fèi)米子的特性，將它們改變成像玻色子一樣，就可能實(shí)現(xiàn)凝聚。后來，他們發(fā)現(xiàn)了一種對付這些不合群贊米子的方法。他們小心翼翼地，就像愛神“丘比特”那樣利用磁場作為金箭，射到費(fèi)米子身上，促使費(fèi)密子配對。這樣，兩個(gè)半整數(shù)自旋的費(fèi)米子就組成一個(gè)整數(shù)自旋的費(fèi)米子對。科學(xué)家們還可以通過調(diào)整磁場來控制配對的力量。配對后費(fèi)米子保留了它們自己的一些特性，但去掉了“不合群”的壞習(xí)慣，能夠像玻色子一樣，在極低溫度下，一對費(fèi)米子和另一對融合，不停地融合，結(jié)果所有氣體原子突然冷凝到像玻色～愛因斯坦冷凝物一樣的凝聚態(tài)，最終形成一個(gè)費(fèi)密子冷凝物。不同的研究小組采用促使費(fèi)米子配對的具體對象和方法不同。奧地利英斯布瑞克大學(xué)的科學(xué)家將鋰－6原子冷卻，同時(shí)施加穩(wěn)定磁場，促使費(fèi)米子結(jié)合在一起；美國科羅拉多“實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)聯(lián)合研究所”采用的技術(shù)略有不同，他們將鉀40原子冷卻后施加磁場，通過磁場變化讓每個(gè)原子強(qiáng)烈吸引附近的原子，誘發(fā)它們形成成對原子，然后凝聚成玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)。

在進(jìn)行費(fèi)米子冷凝態(tài)的研究中，為什么選用鉀和鋰作為實(shí)驗(yàn)對象呢?這種選擇不是任意的，而是與采用的冷凝技術(shù)有關(guān)。將一個(gè)氣體冷卻到極端低溫要通過幾個(gè)步驟。第一步是采用“激光制冷”技術(shù)，將氣體冷卻到接近絕對零度。然后，將這種原子放到一個(gè)磁場陷阱中，在這種情況下允許其中最高能量的原子“逃脫”，就像人皮膚汗液蒸發(fā)一樣。制冷后剩下的原子，使它們處于lOOnK的溫度里。最后一步是將原子轉(zhuǎn)移到一個(gè)“光學(xué)”陷阱中，繼續(xù)蒸發(fā)冷卻，最后達(dá)到臨界溫度，在那里氣體將被濃縮到一種超液體狀態(tài)，這時(shí)的溫度大約是50nK。

在進(jìn)行激光冷卻這步操作時(shí)，最好使用化學(xué)元素周期表第一列的元素，在第1列的7個(gè)元素中，只有鋰－6和鉀－40是穩(wěn)定的，是一種“長命的”費(fèi)米子。所以，進(jìn)行費(fèi)米子研究的所有研究組使用的是這兩個(gè)元素中的一個(gè)。對于玻色一愛因斯坦冷凝物來說，用的是化學(xué)元素周期表第一列中的鈉和銣。

奧地利和美國的兩個(gè)研究小組，利用費(fèi)米子而不是玻色子分別得到了玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)。這項(xiàng)研究是有巨大意義的，正如瑞徹大學(xué)物理學(xué)家休利特說的：“在此之前，沒有一個(gè)人看到過分子的玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)。這是一個(gè)巨大進(jìn)步，是一個(gè)真正重要的新研究方向，它可能導(dǎo)致超導(dǎo)體的研究出現(xiàn)不同的新方法。”

科學(xué)家創(chuàng)造出的這個(gè)世界上第六種物質(zhì)形態(tài)，不僅在理論研究中是一個(gè)重大的突破，而且在實(shí)際應(yīng)用中也有重要意義，它將有助于下一代超導(dǎo)體的誕生。而下一代超導(dǎo)體技術(shù)可在電能輸送、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、地球物理勘探、生物磁學(xué)、高能物理研究等眾多領(lǐng)域和學(xué)科中大顯身手。

責(zé)任編輯蒲暉