近日,在寒冷、稠密的氦-3超流體介質中,科學家們最近有了一個意外的發現:穿過介質的異物可以超過臨界速度限制而不破壞脆弱的超流體本身。
超流體是一種流體,它具有零粘度和零摩擦,因此流動時不會損失動能。當氦原子從一個高密度的玻色子中被冷卻成一個原子團時,它就可以很容易地形成一個超原子團。不過,這些「超級原子」只是一種超流體。另一個是基於玻色子的兄弟費米子。費米子是包括像電子和夸克這樣的原子構造塊的粒子。當冷卻到某個溫度以下時,費米子以庫珀對的形式結合在一起,每對由兩個費米子組成,它們共同構成一個複合玻色子。這些庫珀對的行為完全類似玻色子,因此可以形成超流體。
由於這與我們對超流性的理解相悖,它提出了一個相當大的謎團——但是現在,通過重現和研究這種現象,物理學家已經弄清楚了它是如何發生的過程。超流體中的粒子粘附在物體上,屏蔽了它與大塊超流體的相互作用,從而防止了超流體的破裂。超流氦-3雖然是一種相對稠密的液體,但對於一根穿過它的棒來說,它感覺像是真空,根本沒有阻力。
研究小組用氦-3製造了他們的費米子超流,氦-3是一種稀有的氦同位素,缺少一個中子。當冷卻到絕對零度以上萬分之一度(0.0001開爾文,或-273.15攝氏度/-459.67華氏度)時,氦-3形成了庫珀對。這些超流體相當脆弱,如果一個物體以超過一定的速度(稱為臨界朗道速度)穿過它,庫珀對就會破裂。
然而,蘭開斯特大學(Lancaster University)的研究人員在2016年的一篇論文中發現,在不破壞氦-3超流體的情況下,一根金屬棒可以超過這個速度而不會破壞對。在隨後的實驗中,他們測量了使線材穿過超流體所需的力。當金屬絲開始移動時,他們測量到了一個非常小的力,但是一旦它移動了,繼續運動所需的力是零——只要輕輕推一下它,它就走了。
研究小組得出的結論是,最初的力來自於庫珀對的移動,以適應這種運動,對線材施加小的啟動力。但是,在那之後,電線可以自由移動,基本上是用一層銅線對來偽裝的。
蘭開斯特大學的物理學家Ash Jennings說:「通過改變棒的運動方向,我們可以得出結論,即使在棒的速度非常高的情況下,棒也會被覆蓋在其上的束縛粒子所掩蓋,而不受超流體的影響。」
這一新發現可能有一些有趣的含義。費米子超流體可以用來製造超導體,而超導體又作為量子計算機的一個重要組成部分正在研究中。更多地了解超流體的行為方式和原因,可能只會讓我們更接近這個目標。