科學(xué)家使用了比氦輕一千倍的石墨烯,并在相對更高的溫度下實現(xiàn)了狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
![]()
紐約哥倫比亞大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家首次僅使用激子就將超流體轉(zhuǎn)變成了超固態(tài)。此舉阻止了已知處于持續(xù)運動中的超流體的流動,這很像將流動的水變成冰,但這是在量子層面上發(fā)生的。
物質(zhì)的三種狀態(tài)——固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)——已廣為人知并被理解。但物理學(xué)家更感興趣的是理解存在于量子層面的許多其他物質(zhì)狀態(tài),例如超流體和超固態(tài)。
當(dāng)粒子被冷卻到絕對零度以上的溫度時,就會出現(xiàn)超流態(tài)。在這些溫度下,沒有熱量,使得流體能夠無摩擦地流動。如果受到攪動,超流體可以形成持續(xù)永恒的小型龍卷風(fēng),也稱為量子渦旋。
從超流體到超固態(tài)
超固態(tài)是這樣一種物質(zhì)狀態(tài):它保持了超流體的零粘度特性,但粒子不再四處移動。相反,它們形成像晶格一樣的有序結(jié)構(gòu),同時仍然保持形成量子渦旋的能力。
科學(xué)家此前已經(jīng)在實驗室中成功制造出超固態(tài)。然而,這是通過使用額外設(shè)備和能量場迫使粒子維持有序結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。但這一次,哥倫比亞大學(xué)和德克薩斯大學(xué)的研究人員首次在沒有任何外部儀器的情況下,實現(xiàn)了這些狀態(tài)之間的自然過渡。
"我們首次觀察到超流體經(jīng)歷相變,變成了看似超固態(tài)的東西,"哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家科里·迪恩在一份新聞稿中說道,他參與了這項工作。
他們是如何做到的?
在他們的實驗中,研究人員使用了兩片石墨烯,它比紙張還薄,由碳原子以六邊形蜂窩狀晶格排列構(gòu)成。然后,他們向該系統(tǒng)施加了強(qiáng)磁場并進(jìn)行冷卻,從而產(chǎn)生了"激子湯"。
激子是準(zhǔn)粒子,當(dāng)光粒子激發(fā)價帶中的電子并留下一個電子空穴時形成。電子和空穴共同形成一個能夠傳輸能量的中性粒子。
當(dāng)激子被冷卻到比絕對零度高2.7到7.2華氏度(1.5到4攝氏度)的溫度時,它們形成了超流體。當(dāng)研究人員進(jìn)一步冷卻時,超流體就簡單地轉(zhuǎn)變成了超固態(tài)。
"超流性通常被視為低溫基態(tài),"德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的物理學(xué)家賈力在新聞稿中補(bǔ)充道。"觀察到絕緣相融化成超流體是前所未有的。這強(qiáng)烈表明低溫相是一種高度不尋常的激子固體。"
目前,研究人員正在探索這種絕緣態(tài)的邊界,并構(gòu)建新的測量工具,因為該材料不傳導(dǎo)任何電流。此外,這種材料需要強(qiáng)磁場才能達(dá)到超固態(tài)和超流態(tài)。因此,該團(tuán)隊正在尋找其他可能用于研究且不需要磁場的材料。
在研究中使用激子更好,因為它們比氦輕得多,并且可以在相對更高的溫度下形成超固態(tài)和超流體。盡管使用超固態(tài)的優(yōu)勢尚不明確,但科學(xué)家們渴望理解這種物質(zhì)的量子狀態(tài)。
這項研究發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在《自然》雜志上。
如果朋友們喜歡,敬請關(guān)注“知新了了”!
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.