科學世界的新猜想:我們也許創造了物質新形式:超固體!

2020-12-05 科學比想像中簡單

我們的世界剛剛出現一個小小的陌生,物理學家聲稱他們成功地在實驗室裡製造出一種全新的不可能的物質形式,被稱為超固體。也就是生活少見的同時具有液體和固體的特性,這些科學家推測這種怪異的物質還可能存在超過50年,但沒有人能夠證明它。實際上是和現在兩個獨立的物理學家團隊使用不同的技術來達到同樣的奇特效果。他們所聲稱的是超固體物質。對於那些不熟悉超固體究竟有多怪異的人來說,它具有固體的結構,然而像液體一樣流動。

這對傳統物理學來說是相當矛盾的,通常物質只存在四種簡單的狀態,固體、液體、氣體及非晶態,這些狀態的出現取決於注入溫度和壓力等條件,而且有物質內的粒子排序,發現的超固態的怪異的地方就在於粒子排列呈剛性的固體結構,另一方面也可以自行或粘性的流動,這是超流體的觀念特性。

這項發現背後的一個團隊的首席研究員來自於麻省理工學院。開頭說一種物質結合了超流性,是違反直覺的,他還貼上了一張圖,封閉的容器,超流體卻從密閉的空間內流出超固體。他們無法排除一層薄薄的液體可能躲避在容器內,然後扭曲他們的研究結果,這個團隊沒有足夠的信心來表示他們實際上做出了一個超固體,隨後十幾年的幾個實驗結果顯示,在特定的情況下,有一種可塑性,這種可塑性不是有超固性所引起的,進一步揭穿已經做出超固體的想法,科學界大多數人相當判定不是一個真的超固體的例子。而且在過去的幾年裡這個領域在這個問題上顯得非常的安靜。然而在十一月不是一個而是兩個獨立的團隊在語音論文中宣稱他們做到了,他們設法在實驗室裡創造出了超固體,這些研究人員來自麻省理工學院和瑞士蘇黎世聯邦。兩個學院雖然過程不同,但這兩個團隊都使用一種凝態的奇怪類型的氣體來產生它們的超固體,在超低溫原子會表現得像波一樣,他們有自己獨特的特性,開始用博士愛因斯坦銀泰創造出的超固體的好處是,它已經是一個超流體,這個團隊採用的這些超低溫氣體並使用稍微不同的技術將他們結合成物質的量,指向具有相互體的剛性結構。

瑞士研究人員將物體放在真空室,將它們冷卻到絕對零度以上,造成他們形成玻色愛因斯坦凝態,然後把這個玻色愛因斯坦凝態置於兩個光學共振式的裝置,每個光學工程是由兩個微小的相對靜止所組成鐳射,這些例子最終形成一組規則的一種固體的象徵,但是這個玻色愛因斯坦凝態也保留了超流體的特性,能夠在沒有任何能量輸入情況下流動,這對正常的固體來說是不可能的。理工學院的團隊採用了完全不同的辦法,他們使用雷射而蒸發冷卻的方式結合。增大原子變成玻色愛因斯坦凝態,然後藉由這些原子產生的密度變化,他們也使用鐳射來巧妙的處理,玻色愛因斯坦凝態成為了結晶固體排列。

對於我們來說潛在的新物質態是什麼?這些材料只能在超真空的條件下及低溫的存在,意味著他們目前不是很有用,但是進一步了解物質的奇怪狀態可以導致超導體的改進。超導體是相當有用的材料,儘管這兩個團隊同時提出了這項聲明,聽起來是競爭,但是事實上這是兩個研究小組都歡迎彼此驗證和回應的,這兩篇論文已經發表在自然期刊。

而有科學家曾於2004年首次報告了超固體的存在,處於這種狀態下的固體能毫無摩擦力地流動,但同時也有專家質疑當時的研究人員對實驗結果的解讀是錯誤的。2004年,韓國科學和技術先進研究所和美國賓夕法尼亞州立大學在《自然》雜誌上報告稱,他們對冷卻後的液態氦施壓直至原子被迫進入晶格中,然後讓一個填滿了這種固體氦的滾筒先朝一個方向旋轉,再朝反方向旋轉,如此反覆。當該滾筒被冷卻時,會更加頻繁地轉換旋轉方向。他們推測,這是因為有些氦變成了無摩擦力的超固態,減少了同滾筒一起旋轉的氦的質量,使滾筒能更快地改變方向。但美國康乃爾大學的約翰雷普對此解釋提出了質疑。雷普認為,滾筒能在更低溫度下更快地轉換方向是因為氦已經變成了不穩定的"量子塑料"。他表示是"量子塑料"增加的彈性讓滾筒更容易改變其旋轉方向。為了驗證雷普的說法是否正確,韓國科學家將滾筒放置在一個更大的裝置中,並讓這種裝置僅朝一個方向旋轉,而其內部的滾筒則跟之前實驗一樣,先朝一個方向旋轉,再朝反方向旋轉。然而,金恩盛的研究團隊發現,實驗結果出現了變化。隨著溫度下降,滾筒旋轉方向改變的頻率並沒有加快。他表示最好的解釋就是氦變成了超固體,因為在一個超固體中,持續的旋轉應該導致渦系形成,從而幹擾物質的量子屬性,並且減少超固態物質

與此同時,西班牙加泰隆尼亞理工大學的雅洛斯拉弗路特斯希恩和同事在最近的研究中也發現了超固態存在的更進一步證據。他們表示,超固體氦之所以流動是因為在晶格中形成了洞。該團隊試驗了這些洞在不同壓力下形成的可能性,結果證明,洞形成的壓力同金恩盛實驗中確認超固態氦出現比例最大時的壓力最匹配,這說明金恩盛的實驗的確提供了確鑿的證據(儘管並非全部證據)表明固體氦中包含超固體。然而,雷普還是對此保持懷疑,他認為,外部添加的裝置所補充的能量不會影響滾筒改變旋轉方向的頻率這一假設不對。他表示,研究人員看到的超固體信號正是"量子塑料"彈性的表現。2016年1月,英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧製造出某種極端高壓狀態,從而生成"第五狀態氫",即超固態氫。以上就是文章的全部內容,我們下期見。

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