什麼是超流體,超流體有沒有速度限制?

2020-10-03 汪汪嗅聞

常見的物質被分成三類:氣體,液體,固體。還有一種物質叫做「超流體」(Superfluid)。
為何稱其為超流體,因為其流動異常,完全沒有粘性。超流體若被置於環形容器中,則不受摩擦而能無休止地流動。

超流態的流體可以以零的阻力穿過微管,甚至可以從容器中「滴」上而逃。液氦在超流體中時,會從碗體內部向上緩慢爬行,穿過杯口,然後從碗體外部向下緩慢滑落,聚集成液氦珠,最後滴下。通過這種方式,液氦會一滴一滴地落下,直到像下面的視頻顯示的那樣,杯子完全空了。


PeterCapitcha, JohnAllen和 HanMcCurner於1937年發現了超流體。對超流體的研究叫做量子流體力學。在一定溫度下量子液體轉變為超流體的過程稱為量子流體。例如氦的同位素氦-3,是一種稀有的氦原子,它缺少一個中子,在非常低的溫度下變成超流態,因此具有超凡的性能,比如沒有摩擦。因為沒有摩擦力的存在,科學家們推斷,超流體世界的速度是沒有極限的。
蘭開斯特大學(Lancaster University)的物理學家們,基於過去的研究,最終確定了為什麼穿越超流體的物體不受速度限制。
以往認為,流過物體的超流體的速度,基本上被限制在一種叫做「朗道臨界速度」的範圍內,超過這個範圍就會破壞超流體。該研究小組之前的實驗發現,這並不是一個嚴格的規則,物體可以以更快的速度運動,而不會破壞脆弱的超流體狀態。

極限朗道速度
作為凝聚態物理的創始人之一,前蘇聯著名物理學家 Lev Landau在氦-4超流態的現象學和半微觀理論方面的研究使他獲得了1962年諾貝爾物理學獎。「臨界流速」是指高於這個流速時,超流動性被破壞。
蘭開斯特大學的科學家發現了為什麼超流體沒有速度限制:奇異粒子粘附在超流體的所有表面,如下圖所示。

粘附在超流體所有表面的奇異粒子
研究者們將超流氦-3冷卻到近絕對零度(0.0001 K或-273.15° C)的十分之一度。他們隨後以高速將金屬絲穿過超流體,並測量了移動金屬絲所需的力。測量到的力為零,只有極小的力與運動著的粒子相關聯,當導線開始移動時。
SamuliAutti博士是這篇論文的主要作者,他說:「超流體氦-3就像穿過一根真空棒,雖然它是一種相對緻密的液體,但是沒有一點阻力,一點都不會有。真有意思。」
博士和博士生 Ash Jennings補充道:「通過改變絲狀物的運動方向,我們可以得出結論,即使絲狀物的速度很高,絲狀物上的結合粒子仍然隱藏在超流體中。
項目負責人 DmitryZmeev博士說:「結合粒子需要在周圍移動,這樣就會向金屬線施加很小的壓力,但一旦完成,壓力就會完全消失。」

這篇名為《自然-通訊》的最新研究成果論文,發表於《自然-通訊》上,題目是「在零溫度下結合費米子導致的基本耗散。
這項發現將指導量子技術,也指導量子計算的應用,許多研究小組已經開始了對這種不同尋常物質粒子的利用。

相關焦點

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    研究人員發現了沒有速度限制的原因:超流體中的奇異粒子。一項9月21日發表於《自然·通訊》雜誌的文章公布:英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)的物理學家們已通過持續性研究獲知穿過超流體「氦-3」(helium-3)的物體沒有速度限制的原因。
  • 為什麼在超流體中不存在速度限制?
    研究人員發現了沒有速度限制的原因:超流體中的奇異粒子。一項9月21日發表於《自然·通訊》雜誌的文章公布:英國蘭卡斯特大學(Lancaster University)的物理學家們已通過持續性研究獲知穿過超流體「氦-3」(helium-3)的物體沒有速度限制的原因。
  • 為什麼異物穿過超流體的速度可以超過臨界極限
    穿過介質的異物可能會超過臨界速度極限,而不會打破超流體的狀態。這與長久以來的經驗相矛盾,因此是個亟需解釋的問題——但是現在,物理學家已經弄清了真相。原來超流體中的顆粒會粘附到對象上,包裹住它使其無法和超流體整體相互作用,從而避免了超流體的崩潰。超流體是一種粘度為零,摩擦為零的流體,因此流動時不會損失動能。
  • 為什麼異物穿過超流體的速度可以超過臨界極限
    穿過介質的異物可能會超過臨界速度極限,而不會打破超流體的狀態。這與長久以來的經驗相矛盾,因此是個亟需解釋的問題——但是現在,物理學家已經弄清了真相。原來超流體中的顆粒會粘附到對象上,包裹住它使其無法和超流體整體相互作用,從而避免了超流體的崩潰。超流體是一種粘度為零,摩擦為零的流體,因此流動時不會損失動能。
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    中子星內部究竟發生了什麼還有待猜測。就物理學而言,中子星、冷原子氣體和核系統的內部都有一個共同點:它們都是由高度相互作用的超流體費米子組成的氣體系統。研究人員給超級計算機Piz注入了一種新的模擬方法,結果最終提供了對此類系統未知過程的洞察。中子星、冷原子氣體和核系統都是由高度相互作用的超流體費米子組成的氣體系統,即由自旋為半整數粒子(固有角動量)組成的系統。
  • 超流體的發現
    雖然這些結果很有趣,但並沒有很讓人驚訝,因此在當時並未引起太多的關注。真正值得注意的結果是,1937 年Pyotr Kapitsa 首次在莫斯科發現氦Ⅱ是超流體,並於1938 年1 月將其發表; 同時,JohnF. Allen 和Donald Misener 也獨立地於多倫多大學發表了相同的結果。
  • 為什麼氦-3超流體中沒有速度限制?
    為什麼氦-3超流體中沒有速度限制?英國蘭卡斯特大學的物理學家已經確定了為什麼在超流體氦-3中運動的物體沒有速度限制的原因。氦-3是氦的一種稀有同位素,其中缺少一個中子。它在極低的溫度下成為超流體,使運動物體缺乏摩擦力等不尋常的特性成為可能。
  • 重要發現:為什麼在超流體世界裡沒有速度限制?
    我們通常所遇到的物質有三種:氣體、液體、固體。另外,有一種物質名叫「超流體」(Superfluid)。 為什麼叫它超流體,是因為它超乎尋常地流動、完全缺乏黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中,由於沒有摩擦力,它可以永無止境地流動。
  • 重要發現:為什麼在超流體世界裡沒有速度限制?
    我們通常所遇到的物質有三種:氣體、液體、固體。另外,有一種物質名叫「超流體」(Superfluid)。
  • 為什麼在超流體世界中沒有速度限制?
    在冰冷稠密的氦-3超流體介質中,科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制,而不會破壞脆弱的超流體本身。  由於這與我們對超流體的理解互相矛盾,這帶來了一個難題。但是現在,通過重新創建和研究這一現象,物理學家已經弄清楚其中緣由。
  • 為什麼在超流體世界中沒有速度限制?
    新浪科技訊 北京時間9月28日消息,據國外媒體報導,在冰冷稠密的氦-3超流體介質中,科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制,而不會破壞脆弱的超流體本身。由於這與我們對超流體的理解互相矛盾,這帶來了一個難題。但是現在,通過重新創建和研究這一現象,物理學家已經弄清楚其中緣由。
  • 宇宙或是一個「液態超流體」
    我們常說「宇宙空間」,但它究竟是什麼?空空如也,還是塞滿了可供光子、電磁波及其他所有一切移動的介質?科學家目前還沒有找到確定答案。但一個最新理論認為,時空本身可能是一個「液態超流體」(liquid superfluid),如果證明其屬實,那人們必須要重新審視整個物理學標準模型。  「時空是一個流體」的提法並非第一次出現。
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    超固體是物質的矛盾相,其中兩個截然不同、有些對立的順序共存,導致物質既是晶體又是超流體。超堅固性最初是在20世紀60年代末被預測出來,現在已經逐漸成為越來越多研究的焦點,引發了不同科學領域的爭論。例如,幾年前,一組研究人員發表了有爭議的研究結果,他們在固態氦中發現了這種相,但後來作者自己否認了這一說法。
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    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。
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    該裝置以超流體氦-4為核心,通過與弱相互作用重粒子(WIMPs)的碰撞,利用場電離發現從超流體表面噴射出的單個氦離子。自20世紀初以來,物理學家們通過恆星和星系的速度比理論值高得多推斷出暗物質的存在,而對引力波的觀測則排除了一些其他導致恆星和星系轉速過快的假說,從而進一步證明了暗物質的存在。
  • 超流宇宙中沒有速度限制,科學家已經解開了它神秘的面紗
    在氦-3超流體寒冷、稠密的介質中,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。由於這與我們對超流性的理解相悖,一個大的謎團需要科學家加以研究,並解釋。科學家通過重現和研究這種現象,已經弄清楚了它是如何發生的。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。
  • 最新研究發現:超流體世界中沒有速度限制,可啟發製造超導體
    北京時間 9 月 28 日消息,據國外媒體報導,在冰冷稠密的氦 - 3 超流體介質中,科學家近日有了意外發現。穿過該介質的異物可以超越臨界速度限制,而不會破壞脆弱的超流體本身。由於這與我們對超流體的理解互相矛盾,這帶來了一個難題。
  • 最新理論認為宇宙或是一個「液態超流體」
    核心提示:個最新理論認為,時空本身可能是一個「液態超流體」(liquidsuperfluid),如果證明其屬實,那人們必須要重新審視整個物理學標準模型。 科技日報訊 我們常說「宇宙空間」,但它究竟是什麼?空空如也,還是塞滿了可供光子、電磁波及其他所有一切移動的介質?
  • 最新理論稱時空本身或為「液態超流體」
    >   我們常說「宇宙空間」,但它究竟是什麼?科學家目前還沒有找到確定答案。但一個最新理論認為,時空本身可能是一個「液態超流體」(liquid superfluid),如果證明其屬實,那人們必須要重新審視整個物理學標準模型。  「時空是一個流體」的提法並非第一次出現。這一理論被稱為「超流體真空論」(SVT),在半個世紀前就已問世。