为什么在超流体世界中没有速度限制?

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为什么在超流体世界中没有速度限制?

在冰冷稠密的氦-3超流体介质中,科学家近日有了意外发现。穿过该介质的异物可以超越临界速度限制,而不会破坏脆弱的超流体本身。由于这与我们对超流体的理解互相矛盾,这带来了一个难题。但是现在,通过重新创建和研究这一现象,物理学家已经弄清楚其中缘由。超流体中的粒子会附着在异物上,阻止异物与大部分超流体进行相互作用,因而也避免了破坏超流体。

在超流体中,奇特粒子附着在物体所有表面,从而防止其与大部分超流体相互作用。

英国兰卡斯特大学的物理学家萨利姆·奥蒂说:“对于穿过其中的钢丝棒而言,氦-3超流体仿佛是真空般存在,尽管实际上它是相对稠密的液体。但其中没有一点阻力。这个非常有趣。”

超流体是一种黏度为零、摩擦也为零的流体,因此流动时也不会损失动能。氦-4玻色子可以相对容易地成为超流体。当温度控制得恰到好处,只比绝对零度高一点点的时候,氦-4玻色子可以放缓速度以重叠形成高密度的原子团,该原子团可以充当一个“超原子”。

但是,这些“超原子”只是超流体的一种。另一种超流体则基于玻色子的同胞——费米子。费米子是包括原子构造块(如电子和夸克)的粒子。

冷却到一定温度以下后,费米子会结合在一起,形成所谓的库珀对。每个库珀对由两个费米子组成,这两个费米子共同形成一个符合玻色子。这些库珀对的行为与玻色子几乎一模一样,因此也可以形成超流体。

然后,该研究团队利用氦-3制造出费米超流体。氦-3是一种稀有的氦同位素,比氦少了一个中子。当冷却到只比绝对零度(-273.15摄氏度)高几个毫开尔文温度时,氦-3会形成库珀对。

这些超流体非常脆弱。若物体超过一定速度(临界Landau速度)穿过该超流体的话,其中的库珀对就会分裂。

然而,在2016年的一篇论文中,兰开斯特大学的研究人员发现,一根钢丝棒可以以高于临界速度的速度穿过氦-3超流体,而不会破坏库珀对。

在他们的后续实验中,研究人员还测量了使钢丝棒穿过超流体所需的力。当钢丝棒开始移动时,他们测得十分微小的推力;但是一旦钢丝棒移动起来,保持钢丝棒移动的力就变为了零。简言之就是,轻轻一推,钢丝棒就会动起来。

研究团队最后总结说,初始力来自钢丝棒周围运动的库珀对,以适应变化状态,这些库珀对从而对钢丝棒施加了一点点的启动力。但是,之后,钢丝棒便可以自由移动,仿佛披上了库珀对的伪装外衣一般。

“通过使钢丝棒改变运动方向,我们可以得出结论,即哪怕钢丝棒的速度很好,该钢丝棒也可以借助覆盖在其上的例子隐藏在超流体中,”兰开斯特大学的物理学家艾什·詹宁斯说。

这一新发现可能会带来一些有趣的启发。

费米超流体可用于制造超导体,而超导体仍在研究中,是量子计算机的重要组成部分。了解超流体的性质有助于我们更接近制造超导体的目标。

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