稀有而極端的第六種物質狀態
2020-06-24 原理
物質一共有幾種狀態？
你可能從很早之前就知道三種最常見的狀態——固體、液體和氣體。在地球表面，這三態隨處可見，巖石是固體，水是液體，而我們呼吸的空氣是氣體。三種狀態在溫度和壓力的作用下可以相互轉換。
但這顯然不是故事的全貌。如果我們進入亞原子的世界，也就是在比原子更小的尺度上，更加精彩的故事剛剛展開。
原子實際上是由原子核以及核外的電子組成。如果用足夠的能量轟擊原子，把它的電子踢開，就能創造出電離等離子體，這是物質的第四種狀態。（詳見《神秘而強大的第四種物質狀態》。）
但是，除了最常見的三態，以及這種高能的電離等離子體之外，當物質處於極低溫的狀態下，比如接近絕對零度的時候，兩類粒子——玻色子與費米子也能以各自獨特的方式凝聚，從而創造出第五種和第六種物質狀態，它們分別被稱為玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）和費米凝聚。
在極低溫的狀態下，凝聚會出現，它們具有獨特的性質。| 圖片設計：雯雯；素材參考：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
要了解物質的第五和第六種狀態，我們可以先回憶一下粒子世界。
上個世紀，物理學家發現了原子核中的秘密。原子核其實還可以進一步被「拆分」成質子與中子，它們分別又由三個夸克組成。負責傳遞強核力的膠子就像膠水一樣，將三個夸克緊密地「粘」在一起。
質子（左）和中子（右）分別由三個夸克構成，u代表上夸克，d代表下夸克。負責傳遞強核力的膠子會將夸克牢牢地」粘「在一起。
夸克和電子都屬於標準模型中的基本粒子，也就是不可再分割的粒子。一個關鍵的點在於，標準模型中的每一種基本粒子，甚至宇宙中的每個複合粒子，要麼是費米子，要麼是玻色子。
當我們測量費米子的自旋（內稟角動量）時，總會得到以普朗克常數除以2π為單位的半整數值，比如1/2、3/2、5/2等等。相反，玻色子的自旋總是整數值，也就是0、1、2……
費米子與玻色子還有一個重要的區別是，費米子遵循泡利不相容原理，也就是說，在費米子組成的系統中，兩個或兩個以上的費米子不能佔據相同的量子態。但是，玻色子則沒有這樣的限制。因此，玻色子可以坍塌到相同的量子基態。這個過程就被稱為BEC，它被認為是超導的核心。
1995年，物理學家最早利用磁場，在銣原子蒸汽中得到了BEC。近日，在國際空間站，研究人員首次在失重條件下創造出了BEC。（詳見《首次在太空中，創造出第五種物質狀態》。）
那麼，如何才能達到第六種物質狀態？
事實上，費米凝聚的故事可以追溯到20世紀50年代，諾貝爾物理學獎得主庫珀（Leon Cooper）取得的一項令人震驚的突破。
電子是一種費米子，每一個電子都傾向於維持自己的量子態。但是，在一個溫度極低的導體中，帶負電的電子會輕微地改變導體中正電荷的「結構」，導致電子經歷一種微小的相對吸引力。這會導致兩個電子配對形成庫珀對。
在低溫的導體中，電子會配對形成庫珀對。| 圖片來源：Tem5psu/Wikicommons
而庫珀對的行為則更像玻色子，它們可以愉快地共享相同的態，從而實現費米凝聚。1971年，氦-3被證明在低於2.5毫開爾文（millikelvin）的溫度下會變成一種超流體，這是第一次證明一種只包含費米子的超流體。2003年，物理學家金（Deborah Jin）的實驗室利用強磁場和超低溫誘導原子，成功創造了第一個基於原子的費米凝聚。
費米子鉀原子對形成的凝聚的假色彩圖像。從左到右的圖像對應著隨磁場強度變化，形成費米子對的原子之間吸引力增強。| 圖片來源：Markus Greiner/University of Colorado, Boulder
費米凝聚所需的溫度比BEC所需的溫度更低，但它同樣表現為一種超流體。為了從物質中創造出費米凝聚，你必須達到一些特殊的極端條件，比如溫度低於50納開爾文（nanokelvin），外加時變磁場。
一些研究人員認為，有關BEC與費米凝聚的突破，能夠幫助我們理解超導性和超流性。金曾表示，她相信通過費米凝聚認識到的基本物理，最終將幫助其他科學家設計出更實用的超導材料。
與此同時，儘管這兩種物質狀態目前還只能在實驗室中被創造出來，但它們也有可能在宇宙中扮演著重要角色。在浩瀚的宇宙中，中微子（費米子）或暗物質（可能是費米子，也可能是玻色子）非常有可能聚集在一起，形成它們自己的凝聚。一些科學家相信，解開宇宙最大謎團之一的關鍵，有可能就藏在這些最稀有、最極端的狀態之中。
參考來源：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/06/09/what-are-the-fifth-and-sixth-states-of-matter/?from=from_parent_docs#79cb3cf54a7f
https://physicsworld.com/a/fermionic-condensate-makes-its-debut/
封面圖來源：Pixabay
相關焦點
-
有哪8種物質狀態?
在學校裡我們可能學到最多的是固體，液體和氣體，因為學校只給我們生活中最好理解的三種物質狀態，如果只是知道這些，你會錯過其他五個有趣的物質形態！現在我們普遍認為有多達8個物質形態，隨著科學的進步，這個數字還會逐漸增加。 -
稀有物質有多貴?第一種每克3萬美元,第四種100克能買下蘋果公司
寶石、文物等都是我們能見到的，地球上真正最貴重的東西其實是最為稀有的東西——稀有物質。這些無比稀有的物質我們普通人大多很少聽說，更甚者是從來都沒有見過，它們的價格就更是我們難以想像的了，那麼稀有物質究竟有多貴呢？我們來看看以下四種。 -
物質一共有幾種狀態？
物質一共有幾種狀態？科學家目前已經發現了超過6種物質狀態，並且還有越來越多的新狀態被發現。首先是4種物質的基本狀態：氣態、液態、固態和等離子態。前三種我們或許已經非常熟悉，第四種等離子態是熱的帶電氣體，由帶正電的離子和自由電子組成。 -
物質有多少狀態?固體,液體和氣體嗎?
在學校裡我們可能學到最多的是固體，液體和氣體，因為學校只給我們生活中最好理解的三種物質狀態，如果只是知道這些，你會錯過其他五個有趣的物質形態！ 除此之外，目前發現的另外四種物質狀態離我們的生活都比較遙遠了！ -
水的神奇極端狀態:超離子態和量子態,水冰是存在的
水，我們最熟悉的物質，卻不只有氣、液、固三個狀態。一項最新研究描述，水可以同時顯示固和液兩個狀態，即超離子態。科學家將其命名為「超離子水」。美國加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的物理學家描述，這是非常奇怪的一種狀態。 -
世界十大極端物質 讓沙子燃燒的易燃物
    12月18日消息，「極端」一詞，指處於邊緣的物事或臨界狀態，這些事物以其極端性撼動著我們的三觀，不僅僅是因為他們比自然界玉米糖漿糖分高三倍，或具有自然界找不出的顏色。下面，是世界十大極端物質，一起來看看吧! -
科學家製成「第六態」物質
美國科學家今日表示，他們研製成費米子凝聚態的物質，它屬於「第六態」物質。這種新物質可能導致產生下一代超導體，並用於發電和製造磁懸浮列車等。人們過去已知的物質五種形態分別是氣態、固態、液態、等離子態和玻色－愛因斯坦凝聚態。 研究工作的帶頭人是在美國家標準技術研究院與科羅拉多大學合作實驗室工作的物理學家金秀蘭。 -
世界上最貴的八種物質排名:黃金墊底,第一價值是金子的65萬倍!
【世界上最貴的八種物質排名：黃金墊底，第一價值是金子的65萬倍！】 第八名，黃金。 金是最稀有、最珍貴和最被人看重的金屬之一。平均每克56美元。第七名，金屬鉑。 鉑是地殼中最稀少的元素之一。鉑幾乎都以游離狀態分散於衝積礦床和砂積礦床中。平均每克60美元。 -
毛象屬稀有種雷康提氏大兜發新記錄 雌蟲結束48年資料不明狀態
今年，學者們又有新發現，毛象屬中最稀有的物種雷康提氏大兜（Megasoma關於雷康提氏大兜雌蟲1、雷康提氏大兜最新近況：3月25日有學者在昆蟲期刊「The Coleopterists Bulletin」（VOL.74）正式發表了此種雌蟲記錄，結束了該物種自1972年發表以來整整48年雌蟲相關資料不明的狀態。 -
疫情隔離,物理學家用量子技術遠程製造出第五種物質狀態
來源：新浪科技Amruta Gadge博士的家距離蘇塞克斯大學的實驗室約3公裡，目前她只能居家工作，可以在她的屏幕上看到玻色-愛因斯坦凝聚的圖像新浪科技訊 北京時間5月26日消息，據國外媒體報導，在新冠病毒疫情隔離期間，英國一位物理學家在自家客廳利用量子技術遠程控制實驗室設備，製造出了第五種物質狀態。 -
對，第五種物質狀態來了
物質有幾種形態？以冰塊為例的固體、以水為例的液體、以水蒸氣為例的氣體……這三種狀態在地球上隨處可見，在溫度和壓力的作用下可以互相轉換。如果你有幸看到過極光，那麼就會遇見第四種物質形態——等離子體。早在20世紀20年代初，阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）和印度數學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）就預言了物質的第5種狀態——玻色-愛因斯坦凝聚 -
為什麼物理學家不斷發現物質的新狀態?
當然了，如果你還記得一點高中時的科學知識，你可能會想起物質的第四種狀態：「等離子體」。如果你關注科學新聞，你可能還聽說過另一種「玻色-愛因斯坦凝聚態」，物質的第五種狀態。 但是，簡併物質呢？拓撲超導體？時間晶體？是的，這些都是物質的合法狀態（或階段；這些術語是可以互換的），儘管我們在日常生活中是不會遇到這些狀態的。 -
【化學百科】世界十大極端物質:最硬的物質
如果你認為鑽石是地球上最堅硬的物質實際上，它是一種納米級鑽石的集合，它極易壓縮，是人類已知的最堅硬的物質。聚合鑽石納米棒並不是自然產生的，2005年它在德國被開發出來，將和工業用金剛石以相同容量來使用，它比普通鑽石更加耐磨。是世界強度最大的物質，該材料硬度非常大，就連金剛石都打磨不了它，所以工業用它都會用它原來的砂子（原來就是砂狀聚合鑽石納米棒）。 -
愛情其實是由六種愛情物質「組成」的。你知道是什麼嗎
從科學的角度解釋，愛情其實是由六種愛情物質「組成」的。第一種是苯基乙胺。這個學名很少有人聽過，但它的商品名稱鼎鼎有名——安非他命，一種中樞神經的興奮劑。一見鍾情或還沒有發生親密關係的男女最容易產生苯基乙胺，尤其是正在熱戀的男女。 -
美首次測出物質第六態的黏性
據美國物理學家組織網近日報導，美國科學家使用雷射控制住一些超冷凍原子，測出了費米氣體（一般被認為是物質的第六種狀態）的黏性。結果表明，費米氣體可以被用做「標度模型」，測量超高溫超導體、中子星內的核物質，甚至大爆炸幾微秒後的夸克—膠子等離子體等物質的屬性，也有望被用來在實驗室測試弦理論。研究報告發表在12月10日出版的《科學》雜誌上。 -
彗星上發現第六種缺失元素,難道地球早期生命成分源於外太空?
本文參加百家號＃科學了不起＃系列徵文賽作者：文/星球科普科學家在一顆彗星上終於發現了生命體中第六個缺失的元素，這就是被我們的細胞用來儲存和轉移能量的稀有元素磷。事實上，彗星是冰和塵埃的混合體，像小行星一樣，它也會圍繞太陽運行。 -
科學網—探索物質「第六態」
■本報見習記者 吳益超 世界物理學歷史或許不會忘記2004年1月29日：這一天，美國標準技術研究院（NIST）和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯合研究小組宣布，他們創造了物質的第六種形態這一成果為人類認識物質世界打開了又一扇大門，具有重大的理論和實踐意義。 德博拉·金（Deborah_S._Jin）便是該項研究小組的主要負責人，自1997年被美國標準技術研究院聘為助理教授以來，45歲的她已在物理學的研究中頗有建樹，也因此於2012年10月獲得了由聯合國教科文組織頒發的2013年世界傑出女科學家獎。 -
固態、液態和氣態後:為何不斷發現新的物質狀態?
我們常見的物質有三種基本狀態，即固態、液態和氣態。這是一個理解我們所處物理世界的簡單方法。當然，如果你還記得一點高中時的科學知識，你可能會想起物質的第四種狀態：等離子態。如果關注科學新聞，你可能還聽說過「玻色-愛因斯坦凝聚態」。這就有五種物質狀態了。那麼，簡併態物質呢？ -
人類認知的極限 世界十大最神奇的極端物質
「極端」可能已經喪失了它的大部分術語意義，它瀕臨邊緣，不斷地用它的偏激打擊我們的頭腦。其實，每類物質都有它最極端的形態。我們都聽說過，磁鐵能夠強大到將孩子從內部吸出，而酸能在幾秒鐘內腐蝕掉你的手。 -
我們知道物質有固氣液三種狀態,但實際遠超你的想像!
昨天看到一個新聞：中國科學院合肥物質科學研究院在在極端高溫高壓條件下成功獲得了氫和氘的金屬態。金屬氫被稱為「高壓物理的聖杯」，近一個世紀以來，高壓學者經過不懈努力，一直未實現靜態高壓下金屬氫的相變，如今被中科院合肥團隊在高達約400 GPa極限靜態壓力取得重要突破。