超固體

超固體

超固體(Supersolid)是一種空間有序(比如固體或晶體)的材料,但同時還具有超流動性。換句話說,超固體同時具有固體和流體的特性。當量子流體,比如He-4冷卻到某特徵溫度以下時,He-4將經歷超流轉變,進入一個零黏性的態。這個轉變被認為與發生玻色-愛因斯坦凝聚有關。超固體也譯作超固態。超固體的概念最早在1969年由俄國物理學家安德列也夫(Alexander Andreev)和栗弗席茲(Ilya Liftshitz)提出。稍後,他們發現在塊狀固態氦中,如果做相同的實驗將會發現類似的轉動慣量下降,Moses Chan得出的結論是:這1%保持靜止的固氦凝聚成為超固體,由於其類似於超流體零粘滯力的性質,另外99%的固氦可以不受任何摩擦力地從中“穿過”。

超固體的提出

栗弗席茲栗弗席茲

超固體的概念最早在1969年由俄國物理學家安德列也夫(Alexander Andreev)和栗弗席茲(Ilya Liftshitz)提出。他們認為當溫度接近絕對零度時,玻色子固體晶格中的空位(vacancies,理想晶體中移去一個原子將留下一個空位)將全部坍縮為相同的基態,即發生玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)。在超固態,空位將成為相干的實體(coherent entity),可以在剩下的固體內不受阻礙地移動,就象超流體一樣。

只有非常弱束縛的元素如氦(He)才會成為超固體,因為只有它們的結構會受量子“零點能” 有效的擾動從而留下空位。

超固體的發現

2004年賓州州立大學的Moses Chan和Eun-Seong Kim發現了超固體存在的證據。他們將固態氦-4樣品放入一個容器中,使容器在極低的溫度下以不同速度振盪,從而測定氦-4樣品的轉動慣量。當轉速達到1000r/s,溫度低至約0.2開時,他們發現固氦的轉動慣量突然減小,其中有1%的樣品相對實驗室參照系保持靜止,而其餘99%正常轉動。稍後,他們發現在塊狀固態氦中,如果做相同的實驗將會發現類似的轉動慣量下降,Moses Chan得出的結論是:這1%保持靜止的固氦凝聚成為超固體,由於其類似於超流體零粘滯力的性質,另外99%的固氦可以不受任何摩擦力地從中“穿過”。

根據Reppy和Rittner的工作,無序在超固體的形成中發揮作用。M. Boninsegni等的計算機模擬則表明規則排列的缺陷如螺鏇位錯可導致超固體。

物質狀態

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