科學家揭示氣體分子接近絕對零度時的奇妙變化

2020-12-05 中文業界資訊站

北京時間6月29日消息,據國外媒體報導,近日,美國麻省理工學院的科學家將氣體分子冷卻到了非常接近絕對零度的低溫,發現了一些十分奇特的現象。他們利用雷射對鈉鉀(NaK)氣體進行冷卻,使其溫度降到了只有500納開氏度(nanokelvin,1納開氏度等於1開氏度的10億分之一)。這一溫度已經非常接近絕對零度,後者是指物體分子停止運動時的理論溫度,也是開爾文溫度標定義的零點,約等於攝氏溫標零下273.15攝氏度,即0開氏度。

麻省理工學院的科學家對鈉鉀氣體的分子(示意圖)進行了冷卻,使其溫度降到只有500納開氏度,此時分子速度變得十分緩慢,每秒只移動數釐米,從而使科學家很容易進行研究

在電場中,超低溫的分子具有很強的相互作用。電場使分子極化,導致偶極矩的產生(圖中箭頭所示)。麻省理工學院的科學家發現,他們生成的超低溫分子具有很強的偶極性,但表現得很穩定,不活躍。

麻省理工學院的科學家團隊

物體的熱能是由粒子的振動所引起,當粒子停止振動時,物體的熱能就不會存在。麻省理工學院的這項新研究顯示,當分子達到極其接近絕對零度的低溫時,它們可能會開始形成非同尋常的物質形態。

研究者發現,此時氣體分子變得很穩定,而且會抵抗與其他分子的碰撞,儘管它們都具有很強的、互相吸引的電荷作用力。麻省理工學院電子設備研究實驗室的首席研究員馬丁·茨維萊茵(Martin Zwierlein)領導了這項研究,他說:「我們非常接近絕對零度,在絕對零度條件下,量子力學將在分子運動中扮演重要角色。因此,這些分子不再像彈子球一樣亂跑,而是像量子力學裡的物質波一樣運動。」

「利用超低溫的分子,你可以獲得各種各樣不同的物質形態,如超流體晶體,它是結晶性的,你感覺不到摩擦,這太奇特了。這種現象還沒有被觀察到,但已經有了預言。或許不久以後就能看到這些效果,我們都很興奮。」

有關這一研究的內容發表在近期的《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。研究者採用的是雷射和蒸發冷卻方法,對鈉原子和鉀原子進行冷卻,然後用磁場促使這些原子結合在一起。

之後,科學家將鈉鉀分子暴露在兩束雷射下,其中一束雷射的頻率剛好與分子振動狀態吻合,另一束的振動頻率則儘可能調低。利用這種超冷卻方法,研究者降低了7500開氏度。與其他嘗試冷卻氣體原子的實驗相比,該研究中超低溫分子的壽命相對較長,約為2.5秒。

茨維萊茵教授說:「這種實驗中的分子具有化學活性,完全沒有時間對大批量樣品進行研究。它們會在冷卻到足夠出現有趣狀態之前就衰變。在我們的實驗中,我們希望分子的壽命足夠長,從而能看到物質的新奇狀態。」

然而,他們的實驗並不是人類實驗中所能達到的最低溫度。2003年,麻省理工學院和美國航空航天局的科學家成功地將鈉氣體冷卻到了只有500皮開氏度(picokelvin),即0.5納開氏度。

相關焦點

  • 接近絕對零度!雷射冷卻三原子分子
    據英國《新科學家》雜誌網站24日報導,美國科學家利用雷射冷卻技術,首次將三個原子組成的分子冷卻到接近絕對零度(
  • 在接近絕對零度下,揭示分子的碰撞:量子力學規定分子是波動的!
    碰撞實驗為詳細了解單個粒子水平上的分子相互作用提供了新方法,分子和材料研究所的理論和實驗物理學家在《科學》期刊上這項新研究,全面描述了溫度接近絕對零度(-273.15℃)的分子碰撞,揭示了支配分子碰撞內部運作的量子力學基本定律。
  • 無限逼近絕對零度時,分子還會動嗎?
    若是溫度進一步降低,無限趨近於絕對零度時分子做熱運動時的動能會不會就趨近於零了?熱力學第三定律不允許通過有限的過程將一個物體的溫度降低到絕對零度,自然也就無從通過實驗看一下絕對零度時分子是否還在做熱運動。
  • 無限逼近絕對零度時,分子還會動嗎?
    把一塊石頭放在桌面上保持靜止,此時石頭雖然沒有做機械運動,可組成石頭的分子、離子、原子等都在做無規則的運動。分子的這種無規則運動叫做分子的熱運動,熱運動的劇烈程度與溫度有關,溫度越高分子的熱運動就越劇烈。比如將一塊金和一塊鉛緊密地壓在一起,在常溫下放置五年兩者會相互滲透1毫米。
  • 雷射冷卻技術將分子冷卻到接近絕對零度
    據英國《新科學家》雜誌網站24日報導,美國科學家利用雷射冷卻技術,首次將三個原子組成的分子冷卻到接近絕對零度(-273.15℃),這是該技術迄今冷卻的最大分子。科學家們認為,這一奇蹟最終有望用於製造分子量子計算機,同時也可成為化學家們的好幫手。
  • 絕對零度是如何計算出來的?會有比絕對零度更低的溫度嗎?
    那麼絕對零度是如何計算出來的呢? 絕對零度是根據理想氣體所遵循的規律,然後通過外推的方法得到的。通過這樣的方法,科學家算出,當物體的溫度降低到零下273.15攝氏度時,氣體的體積將會減小到零。或者從分子運動的角度出發,當處於絕對零度的時候,理想氣體分子就停止運動。
  • 絕對零度達不到,但人類創造的最逼近絕對零度的溫度是多少?
    不僅如此,科學家還發現了所謂的絕對零度,它位於零下273.15攝氏度。但是,物理定律告訴我們,絕對零度是無法達到的,我們只能無限接近它。那麼問題就來了,我們是如何發現絕對零度的?人類能達到的最低溫度是多少度?
  • 絕對零度是最低溫度?絕對零度也可以突破。最高溫度又是多少
    絕對零度並不意味著粒子停下運動了不過即使是物質的溫度達到絕對零度,也並不意味著分子停下運動了。微觀世界是由量子力學主導的,如果絕對零度時,分子完全不運動,那麼我們就能夠精準的測量出分子的動量和位置。這明顯違反不確定性原理。
  • 德國科學家造出低於絕對零度的量子氣體
    《自然》雜誌網站1月3日的報導據《自然》雜誌網站1月3日報導,德國物理學家用鉀原子首次造出一種低於絕對零度的量子氣體科學家稱這一成果為「實驗的絕技」,為將來造出負溫度物質、新型量子設備打開了大門,有助於揭開宇宙中的許多奧密。18世紀中期,開爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對溫度,在此規定下沒有物質的溫度能低於絕對零度。氣體的絕對溫度與它所包含粒子的平均能量有關,溫度越高,平均能量越高,而絕對零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態,這是一種理想的理論狀態。
  • 科學家創建迄今最低溫分子 可揭示神秘物理學思想
    原標題:科學家創建迄今最低溫分子   物理學家已經將分子冷凍至比絕對零度僅略高一點的溫度——比大爆炸後的餘暉更冷。   科學家表示,現在已創造出一種超冷原子,它們可以形成世界上迄今為止所創造出的最冷的分子(由兩個或三個超冷原子在化學上相連接構成)。這一進展可以揭示最神秘的物理學思想,產生令人瞠目結舌的低溫。
  • 3分鐘就懂 物理學家進一步逼近絕對零度
    據國外媒體報導,絕對零度被認為是 宇宙 中最低的溫度,而且以人類目前的科技水平還遠無法實現,但科學家能夠將溫度降低到非常接近絕對零度的程度。目前來自麻省理工學院的科學家雷射冷卻鉀鈉氣體分子達到了500納開爾文,相當於一攝氏度的5000億分之一。0開爾文為絕對零度,一旦達到這個溫度,所有原子的振動都會停止。
  • 絕對零度下,分子運動強度最低,但仍然不會停止運動
    接近絕對零度時,一些液體會產生第二種被稱為超流體的流體狀態,因為它的粘度為零,或流動性無窮大。在1937年,人們便發現了氦,當氦接近絕對零度時,它會使超流體的溫度低於2.17 開爾文。超流體還具有無限的能量導電性,因此在超流體中不會發生溫度變化。將超流體置於運動的容器中,可以產生量子化的渦流。
  • 科學家造出低於絕對零度的量子氣體—新聞—科學網
    據《自然》雜誌網站1月3日報導,德國物理學家用鉀原子首次造出一種低於絕對零度的量子氣體。
  • 絕對零度和"熱寂"
    絕對零度0K約等於攝氏溫標零下273.15攝氏度,也就是0開氏度,在此溫度下,物體分子沒有動能和勢能,動勢能為0,故此時物體內能為0。物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的平均動能。因此物體的溫度實際上就是原子在物體內部的運動。達到絕對零度一切事物都將達到運動的最低形式。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。
  • 科學家首造低於絕對零度量子氣體 或揭宇宙奧秘
    據《自然》雜誌網站報導,儘管聽起來可能有些讓人感覺難以置信,但物理學家們近期真的製造出了一種原子氣體,其溫度低於絕對零度。他們所開創的這項技術將有望創造出具有「負溫度」的物質材料並發展出相應的新型量子態,甚至還將有可能解答有關我們這個宇宙的基本謎團。
  • 科學家創造出第5狀態物質,無限接近絕對零度,甚至能凍結光線
    科學家創造出第5狀態物質,無限接近絕對零度,甚至能凍結光線在我們的宇宙中,物質的常見狀態有3種,第一種就是液態,就像是水,第二種就是固態,就像是巖石,第三種就是氣態。這三種狀態都可能在同一種物質上呈現,除此之外,還有第四種狀態就是火焰的離子態。
  • 絕對零度真的無法超越嗎?關於絕對零度幾個有趣的事實!
    絕對零度真的無法超越嗎?關於絕對零度幾個有趣的事實!絕對零度是熱力學的最低溫度,這是根據理想氣體狀態方程推導出來的,也可以說是理想氣體分子停止運動時的溫度,這個時候理想氣體的體積將減少到0,分子和原子的運動已不再遵從經典物理的物理學統計規律。
  • 為什麼絕對零度只能無限接近卻不能達到?科學家給出了答案
    何時被科學家定義?自138億年前宇宙誕生溫度也相伴而生,氣溫、體溫、水溫是我們日常最常見的幾種溫度應用,我們在乎的就是日常提及的多少攝氏度,天氣熱了還是涼了,是否發燒,我們一直在感受周圍的溫度,那麼溫度真的如我們想像的那樣簡單嗎?
  • 《自然》:單分子雷射製冷首次達到接近絕對零度
  • 超哥知乎千贊文 | 為什麼絕對零度是宇宙最低溫度?
    那個時代比較靠譜的是另一個科學家阿蒙頓,1702年,他正在改進空氣溫度計,他一定質量的空氣維持一根水銀柱,水銀柱的高度隨溫度的變化而變化,因此可以用來表示溫度。阿蒙頓想,如果溫度降到最低,那空氣的壓強就接近於0 了,水銀柱豈不是要變成0?也就是說,水銀柱到0也就達到最低溫度了吧?阿蒙頓認為這個最低溫度是無法達到的,因此並沒有進一步對它進行研究。