物質的第六態(tài)

唐承革

當人們問起物質有幾種狀態(tài)時，絕大多數(shù)的人會回答：“有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。”這是我們在小學就知道的知識。實際上，這個回答是不正確的。物體至少有6種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)以及近年來由美國研究人員發(fā)現(xiàn)的一種神秘的新狀態(tài)——費米子冷凝態(tài)。

玻色子和費米子

在介紹費米子冷凝態(tài)之前，必須了解兩個問題，第一個是關于玻色子和費米子的區(qū)別，另一個是什么是玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。首先，介紹一下玻色子和費米子。一般人對于這兩個概念并不熟悉。當談到物質的粒子時，人們首先想到的是原子、電子、光子等。其實任何物質的粒子都可以歸為兩類：玻色子或費米子。玻色子和費米子的區(qū)別體現(xiàn)在“自旋”這個量子力學的特性上，自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子為玻色子，而自旋量子數(shù)為半整數(shù)的粒子為費米子。這種自旋的差異造成費米子和玻色子有完全不同的特性。

玻色子是一些性格“溫順”的粒予，它們可以共處于同一量子狀態(tài)。玻色子的分布與溫度有關，溫度高時，玻色子的原子“各自為政”：當溫度很低，低于臨界溫度時，會出現(xiàn)大量玻色子原子在最低能級集聚的情況，普通的鈉原子就是玻色子。而費米子卻是一些具有很強獨立性的“不合群”粒子，它們之間互相排斥，互不相讓。如果一個費米子占據(jù)了一個能量級位置，其它的費米子就不得不跑到能量較高的量子級上。費米子，包括電子、夸克及半數(shù)元素周期表中的原子不會自己集聚在一起，必須借助外力改變它們的特性后才能聚在一起。

玻色－愛因斯坦冷凝態(tài)

如果我們讓一些玻色子的原子不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷，例如，接近絕對零度(－273.15℃)，這時奇跡出現(xiàn)了——所有的原子不再各自為政，再也分不出你我他了，它們似乎都變成了一個超大原子!這就是物質第五態(tài)——玻色－愛因斯坦冷凝態(tài)。

為什么將它稱為玻色－愛因斯坦冷凝態(tài)，里面還有個故事。1924年，年輕的印度物理學家玻色提出了一種關于原子的新理論，他認為在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個同類原子(如兩個氧原子)的不同。由于這個理論與傳統(tǒng)的、認為可以辨別同類原子中每個原子“面孔”的理論不同，被剝奪了發(fā)表權。玻色于是將他的文章寄給愛因斯坦。愛因斯坦對玻色的文章十分重視，他將玻色的理論用于原子氣體中，進而推測，在正常溫度下，原子可以處于任何一個能級上，但在非常低的溫度下，原子會突然跌落到最低的能級上，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個大超級原子，具有完全相同的物理性質。后來物理界將物質的這種狀態(tài)稱為玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。

理論有了，但要證明這個理論卻十分困難，必須能夠創(chuàng)造出這種冷凝物才能令人信服。要生成玻色－愛因斯坦冷凝物可不是一件容易的事。一方面需要創(chuàng)造使原子可以凝聚在一起的極低溫度，另一方面還需要這時的原子處于氣態(tài)。極低溫下的物質如何能保持氣態(tài)呢?這實在令無數(shù)科學家頭疼不已。后來，物理學家發(fā)現(xiàn)一些堿金屬，還有氦原子和鈣等的原子氣體不會因制冷出現(xiàn)液態(tài)，更不會高度聚集形成常規(guī)的固體。實驗對象有了，創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件卻不具備。隨著科學技術的發(fā)展，激光冷卻技術和電磁操縱的磁阱技術產(chǎn)生了，終于在玻色一愛因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎。此后，這個領域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展，目前世界上已有幾十個研究組在稀薄原子氣中實現(xiàn)了玻色一愛因斯坦冷凝態(tài)。

費米子冷凝物

費米子冷凝態(tài)是怎樣創(chuàng)造出來的呢?由于沒有任何兩個費米子能擁有相同的量子態(tài)，費米子的凝聚一直被很多人認為不可能實現(xiàn)。但是，從事費米子冷凝態(tài)研究的科學家們秉承著“大膽假設，小心求證”的科學精神，慎重地向這塊未知的科學領域推進。終于在2003年12月，美-國物理學家黛博拉·金負責的研究組創(chuàng)造出了世界上第一個費米子冷凝物。

由于費米子的“不合群”特性，不能凝聚在一起?？茖W家們認為如果采用一些方法改變費米子的特性，將它們改變成像玻色子一樣，就可能實現(xiàn)凝聚。后來，他們發(fā)現(xiàn)了一種對付這些不合群贊米子的方法。他們小心翼翼地，就像愛神“丘比特”那樣利用磁場作為金箭，射到費米子身上，促使費密子配對。這樣，兩個半整數(shù)自旋的費米子就組成一個整數(shù)自旋的費米子對?？茖W家們還可以通過調整磁場來控制配對的力量。配對后費米子保留了它們自己的一些特性，但去掉了“不合群”的壞習慣，能夠像玻色子一樣，在極低溫度下，一對費米子和另一對融合，不停地融合，結果所有氣體原子突然冷凝到像玻色～愛因斯坦冷凝物一樣的凝聚態(tài)，最終形成一個費密子冷凝物。不同的研究小組采用促使費米子配對的具體對象和方法不同。奧地利英斯布瑞克大學的科學家將鋰－6原子冷卻，同時施加穩(wěn)定磁場，促使費米子結合在一起；美國科羅拉多“實驗室天體物理學聯(lián)合研究所”采用的技術略有不同，他們將鉀40原子冷卻后施加磁場，通過磁場變化讓每個原子強烈吸引附近的原子，誘發(fā)它們形成成對原子，然后凝聚成玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)。

在進行費米子冷凝態(tài)的研究中，為什么選用鉀和鋰作為實驗對象呢?這種選擇不是任意的，而是與采用的冷凝技術有關。將一個氣體冷卻到極端低溫要通過幾個步驟。第一步是采用“激光制冷”技術，將氣體冷卻到接近絕對零度。然后，將這種原子放到一個磁場陷阱中，在這種情況下允許其中最高能量的原子“逃脫”，就像人皮膚汗液蒸發(fā)一樣。制冷后剩下的原子，使它們處于lOOnK的溫度里。最后一步是將原子轉移到一個“光學”陷阱中，繼續(xù)蒸發(fā)冷卻，最后達到臨界溫度，在那里氣體將被濃縮到一種超液體狀態(tài)，這時的溫度大約是50nK。

在進行激光冷卻這步操作時，最好使用化學元素周期表第一列的元素，在第1列的7個元素中，只有鋰－6和鉀－40是穩(wěn)定的，是一種“長命的”費米子。所以，進行費米子研究的所有研究組使用的是這兩個元素中的一個。對于玻色一愛因斯坦冷凝物來說，用的是化學元素周期表第一列中的鈉和銣。

奧地利和美國的兩個研究小組，利用費米子而不是玻色子分別得到了玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)物質。這項研究是有巨大意義的，正如瑞徹大學物理學家休利特說的：“在此之前，沒有一個人看到過分子的玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)。這是一個巨大進步，是一個真正重要的新研究方向，它可能導致超導體的研究出現(xiàn)不同的新方法?！?/p>

科學家創(chuàng)造出的這個世界上第六種物質形態(tài)，不僅在理論研究中是一個重大的突破，而且在實際應用中也有重要意義，它將有助于下一代超導體的誕生。而下一代超導體技術可在電能輸送、超導磁懸浮列車、超導計算機、地球物理勘探、生物磁學、高能物理研究等眾多領域和學科中大顯身手。

責任編輯蒲暉