什么是超流体(Superfluid)？
超流是一种物质的相，能够无限流动而不损失能量。某些同位素的这种性质是由Pyotr Leonidovich Kapitsa，John F.Allen和Don Misener在1937年发现的。它是在非常低的温度下至少用两种氦同位素、一种铷同位素和一种锂同位素...
超流是一种物质的相，能够无限流动而不损失能量。某些同位素的这种性质是由Pyotr Leonidovich Kapitsa，John F.Allen和Don Misener在1937年发现的。它是在非常低的温度下至少用两种氦同位素、一种铷同位素和一种锂同位素来实现的
只有液体和气体可以是超流。只有液体和气体才可以是超流。例如，氦的冰点是1 K（开尔文）和25个大气压，是所有元素中最低的，但这种物质在2K左右开始表现出超流特性。当一个样品的所有组成原子都开始占据同一个量子态时，就会发生相变。这种相变发生在原子被放得很近并且冷却得如此之大，以至于它们的量子波函数开始重叠，而原子失去了它们的量子波函数个人身份，表现得更像是单个的超级原子而不是原子的聚集。一个限制因素，材料可以表现出超流性，而不是不能，那就是材料必须非常冷（更少在低温下变为固体的物质不能形成这种状态。当冷却到非常低的温度时，一组具有偶数个核子的玻色子原子形成玻色-爱因斯坦凝聚态，即物质的超流相当费米子（具有奇数个核子的原子，如氦-3同位素）被冷却到几开尔文时，这不足以引起这种转变，因为只有玻色子可以很容易地变成玻色-爱因斯坦凝聚体，费米子必须首先彼此配对才能成为超流体。这个过程类似于超导体中电子的库珀配对。当两个核子奇数的原子配对时，它们共同拥有偶数个核子，并开始表现得像玻色子一样，凝聚在一起进入超流状态。这叫做费米子凝聚态，超流体中的原子配对和超导体中的电子配对的关键区别在于，原子配对是通过量子自旋涨落而不是通过声子（振动能量）交换来实现的超流体有一些令人印象深刻和独特的特性，使它们区别于其他形式的物质。因为它们没有内部粘性，在其中形成的漩涡永远存在。超流体具有零热力学熵和无限热导率，这意味着两个超流体或同一个超流体的两个部分之间不可能存在温差。如果容器没有密封，它们也可以在一个原子厚的容器中向上爬出。嵌入在超流体中的常规分子可以完全旋转自由地运动，表现得像气体一样。其他有趣的特性也可能在将来被发现大多数所谓的超流体不是纯的，而是流体成分和超流体成分的混合物，超流体的潜在应用并不像超导体那样令人兴奋和广泛，但是稀释电冰箱和光谱学是两个已经得到应用的领域，也许今天最有趣的应用是纯教育性的，它展示了量子效应如何在某些极端条件下变得宏观。
只有液体和气体可以是超流。只有液体和气体才可以是超流。例如，氦的冰点是1 K（开尔文）和25个大气压，是所有元素中最低的，但这种物质在2K左右开始表现出超流特性。当一个样品的所有组成原子都开始占据同一个量子态时，就会发生相变。这种相变发生在原子被放得很近并且冷却得如此之大，以至于它们的量子波函数开始重叠，而原子失去了它们的量子波函数个人身份，表现得更像是单个的超级原子而不是原子的聚集。一个限制因素，材料可以表现出超流性，而不是不能，那就是材料必须非常冷（更少在低温下变为固体的物质不能形成这种状态。当冷却到非常低的温度时，一组具有偶数个核子的玻色子原子形成玻色-爱因斯坦凝聚态，即物质的超流相当费米子（具有奇数个核子的原子，如氦-3同位素）被冷却到几开尔文时，这不足以引起这种转变，因为只有玻色子可以很容易地变成玻色-爱因斯坦凝聚体，费米子必须首先彼此配对才能成为超流体。这个过程类似于超导体中电子的库珀配对。当两个核子奇数的原子配对时，它们共同拥有偶数个核子，并开始表现得像玻色子一样，凝聚在一起进入超流状态。这叫做费米子凝聚态，超流体中的原子配对和超导体中的电子配对的关键区别在于，原子配对是通过量子自旋涨落而不是通过声子（振动能量）交换来实现的超流体有一些令人印象深刻和独特的特性，使它们区别于其他形式的物质。因为它们没有内部粘性，在其中形成的漩涡永远存在。超流体具有零热力学熵和无限热导率，这意味着两个超流体或同一个超流体的两个部分之间不可能存在温差。如果容器没有密封，它们也可以在一个原子厚的容器中向上爬出。嵌入在超流体中的常规分子可以完全旋转自由地运动，表现得像气体一样。其他有趣的特性也可能在将来被发现大多数所谓的超流体不是纯的，而是流体成分和超流体成分的混合物，超流体的潜在应用并不像超导体那样令人兴奋和广泛，但是稀释电冰箱和光谱学是两个已经得到应用的领域，也许今天最有趣的应用是纯教育性的，它展示了量子效应如何在某些极端条件下变得宏观。
- 发表于 2020-08-19 04:54
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