什么是超流體(Superfluid)？
超流是一種物質的相，能夠無限流動而不損失能量。某些同位素的這種性質是由Pyotr Leonidovich Kapitsa，John F.Allen和Don Misener在1937年發現的。它是在非常低的溫度下至少用兩種氦同位素、一種銣同位素和一種鋰同位素...
超流是一種物質的相，能夠無限流動而不損失能量。某些同位素的這種性質是由Pyotr Leonidovich Kapitsa，John F.Allen和Don Misener在1937年發現的。它是在非常低的溫度下至少用兩種氦同位素、一種銣同位素和一種鋰同位素來實現的
只有液體和氣體可以是超流。只有液體和氣體才可以是超流。例如，氦的冰點是1 K（開爾文）和25個大氣壓，是所有元素中最低的，但這種物質在2K左右開始表現出超流特性。當一個樣品的所有組成原子都開始占據同一個量子態時，就會發生相變。這種相變發生在原子被放得很近并且冷卻得如此之大，以至于它們的量子波函數開始重疊，而原子失去了它們的量子波函數個人身份，表現得更像是單個的超級原子而不是原子的聚集。一個限制因素，材料可以表現出超流性，而不是不能，那就是材料必須非常冷（更少在低溫下變為固體的物質不能形成這種狀態。當冷卻到非常低的溫度時，一組具有偶數個核子的玻色子原子形成玻色-愛因斯坦凝聚態，即物質的超流相當費米子（具有奇數個核子的原子，如氦-3同位素）被冷卻到幾開爾文時，這不足以引起這種轉變，因為只有玻色子可以很容易地變成玻色-愛因斯坦凝聚體，費米子必須首先彼此配對才能成為超流體。這個過程類似于超導體中電子的庫珀配對。當兩個核子奇數的原子配對時，它們共同擁有偶數個核子，并開始表現得像玻色子一樣，凝聚在一起進入超流狀態。這叫做費米子凝聚態，超流體中的原子配對和超導體中的電子配對的關鍵區別在于，原子配對是通過量子自旋漲落而不是通過聲子（振動能量）交換來實現的超流體有一些令人印象深刻和獨特的特性，使它們區別于其他形式的物質。因為它們沒有內部粘性，在其中形成的漩渦永遠存在。超流體具有零熱力學熵和無限熱導率，這意味著兩個超流體或同一個超流體的兩個部分之間不可能存在溫差。如果容器沒有密封，它們也可以在一個原子厚的容器中向上爬出。嵌入在超流體中的常規分子可以完全旋轉自由地運動，表現得像氣體一樣。其他有趣的特性也可能在將來被發現大多數所謂的超流體不是純的，而是流體成分和超流體成分的混合物，超流體的潛在應用并不像超導體那樣令人興奮和廣泛，但是稀釋電冰箱和光譜學是兩個已經得到應用的領域，也許今天最有趣的應用是純教育性的，它展示了量子效應如何在某些極端條件下變得宏觀。
只有液體和氣體可以是超流。只有液體和氣體才可以是超流。例如，氦的冰點是1 K（開爾文）和25個大氣壓，是所有元素中最低的，但這種物質在2K左右開始表現出超流特性。當一個樣品的所有組成原子都開始占據同一個量子態時，就會發生相變。這種相變發生在原子被放得很近并且冷卻得如此之大，以至于它們的量子波函數開始重疊，而原子失去了它們的量子波函數個人身份，表現得更像是單個的超級原子而不是原子的聚集。一個限制因素，材料可以表現出超流性，而不是不能，那就是材料必須非常冷（更少在低溫下變為固體的物質不能形成這種狀態。當冷卻到非常低的溫度時，一組具有偶數個核子的玻色子原子形成玻色-愛因斯坦凝聚態，即物質的超流相當費米子（具有奇數個核子的原子，如氦-3同位素）被冷卻到幾開爾文時，這不足以引起這種轉變，因為只有玻色子可以很容易地變成玻色-愛因斯坦凝聚體，費米子必須首先彼此配對才能成為超流體。這個過程類似于超導體中電子的庫珀配對。當兩個核子奇數的原子配對時，它們共同擁有偶數個核子，并開始表現得像玻色子一樣，凝聚在一起進入超流狀態。這叫做費米子凝聚態，超流體中的原子配對和超導體中的電子配對的關鍵區別在于，原子配對是通過量子自旋漲落而不是通過聲子（振動能量）交換來實現的超流體有一些令人印象深刻和獨特的特性，使它們區別于其他形式的物質。因為它們沒有內部粘性，在其中形成的漩渦永遠存在。超流體具有零熱力學熵和無限熱導率，這意味著兩個超流體或同一個超流體的兩個部分之間不可能存在溫差。如果容器沒有密封，它們也可以在一個原子厚的容器中向上爬出。嵌入在超流體中的常規分子可以完全旋轉自由地運動，表現得像氣體一樣。其他有趣的特性也可能在將來被發現大多數所謂的超流體不是純的，而是流體成分和超流體成分的混合物，超流體的潛在應用并不像超導體那樣令人興奮和廣泛，但是稀釋電冰箱和光譜學是兩個已經得到應用的領域，也許今天最有趣的應用是純教育性的，它展示了量子效應如何在某些極端條件下變得宏觀。
- 發表于 2020-08-19 04:54
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- 分類：科學教育
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