超流體

超流體是一種物質狀態，特點是完全缺乏黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。例如液態氦在2.17 K以下時，內摩擦係數變為零，液態氦可以流過半徑為十的負五次方厘米的小孔或毛細管，這種現象叫做超流現象(Superfluidity)，這種液體叫做超流體(Superfluid)。

基本介紹

• 中文名：超流體
• 外文名：Superfluid
• 特點：完全缺乏黏性
• 狀態：物態

簡介

超流體是一種物態，特點是完全缺乏黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。它能以零阻力通過微管，甚至能從碗中向上“滴”出而逃逸。

液態氦在2.17 K以下時，它的內摩擦係數變為零，這時液態氦可以流過半徑為十的負五次方厘米的小孔或毛細管，這種現象叫做超流現象(Superfluidity)，這種液體叫做超流體(Superfluid)。

起源

超流體是超低溫下具有奇特性質的理想流體，即流體內部完全沒有粘滯。超流體所需溫度比超導體還低，它們都是超低溫現象。氦有兩種同位素，即由2個質子和2個中子組成的氦4和由2個質子和1箇中子組成的氦3。液態氦-4在冷卻到2.17 K以下時，開始出現超流體特徵， 20世紀30年代末，蘇聯科學家彼得·卡皮察首先觀測到液態氦4的超流體特性。他因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。這一現象很快被蘇聯科學家列夫·郎道用凝聚態理論成功解釋。不過，科學家直到20世紀70年代末才觀測到氦3的超流體現象，因為使氦3出現超流體現象的溫度只有氦4的千分之一。

超流體的套用目前尚在研究之中。不過，這一領域已經曙光初現。2002年，德國科學家實現銣原子氣體超流體態與絕緣態可逆轉換。世界科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。這一成果被中國兩院院士評為2002年世界十大科技進展之一。

超臨界的特殊流動性

原理

實驗發現，液氦能沿極細的毛細管流動而幾乎不呈現任何粘滯性，這一現象首先由卡皮查於1937年觀察到的，稱之為超流性，實驗還發現，存在一個臨界速度v，在v以上，超流流動被破壞。氦由正常流體和超流體兩部分組成，其中超流部分沒有粘滯性，熵也為零，而正常流體部分的性質與普通的經典流體一樣，具有粘滯性和熵，朗道認為超流成分則是在理想背景流體上的一些元激發。

碳納米管膜可以形成超流體

於量子液體低於某臨界轉變溫度會形成超流態。比如氦最豐富的同位素，氦-4，在低於 2.17 K(−270.98°C) 時便會變成超流體。氦-4形成超流態的相變稱為Lambda相變(Lambda transition)，因它的比熱容對溫度曲線形狀如同希臘字母“λ”一樣。凝聚態物理學中一些相近的相變亦因而叫作Lambda相變。氦較貧乏的另一種同位素，氦-3，在更低的 2.6 mK 成為超流體。這個溫度只是比絕對零度高几個毫開爾文。

雖然這兩個系統的超流體表征很相似，但其本質卻是南轅北轍。氦-4是玻色子，其超流性質可以用玻色-愛因斯坦統計解釋。可是，氦-3是費米子，其超流性必須用到描述超導體的BCS理論之推廣才可了解。其中，原子代替了電子形成庫柏對(Cooper pair)，而它們的吸引作用力調控機制由自旋波動 (Spin fluctuation) 代替了聲子。詳情請參看費米子凝聚態。超流體和超導體的統一理論可以以規範對稱破缺(Gauge symmetry breaking) 表達。

超流體，如超冷凍的氦-4，有很多稀奇的性質。它就像一般液體加上超流體的特有的性質，如全無粘性、零熵度，和無限大的熱傳導率。(故此在超流體中出現溫差是不可能的，就如超導體內沒有電勢差一樣。)其中最令人嘆為觀止的是“熱機效應”(Thermomechanical effect)，或稱“噴泉效應”(Fountain effect)。如一纖細管放在一池超流氦之中，而纖細管被加熱 (如對它照光)，氦便會爬上管頂。 這是克勞修斯-克拉佩龍方程的結果。另一樣奇特現象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一層單原子厚度的液體薄膜。

一個比零粘性更為基本的性質是超流體在旋轉的容器中會有量子化的渦度，而不會隨容器均勻轉動。奇怪的是這個旋轉體會相對與恆星保持穩定。

套用

超流體其中一個重要的套用是稀釋制冷機 (Dilution refrigerator)。

超流氦-4已成功用作化學領域光譜分析技術的量子溶劑。在超流氦滴光譜分析 (SHeDS) 中，單個分子溶於超流介質之中，使之有有效的旋轉自由度，如同在氣態之中。這引起了對氣體分子研究的極大興趣。

超流體亦用於高精度儀器，如陀螺儀。它可以量度一些理論預測的引力效應。詳情可參看-引力探測器b。

更多的發現

麻省理工學院的物理學家在劍橋發現一種新物質態：超流氣體。這種物質是 50 nK 的鋰-6。

此外，於 2004 年賓州州立大學的物理學家亦發現了超固體。當氦-4在高壓冷凍到 2 K 以下，超流體便相變成超固體。它亦可以零粘度流動。

雙原子分子氫 (H2) 亦有超固態。

最新理論

時空或許是某種形式的超流體。超流體是一種物質狀態，完全缺乏黏性，正由於沒有摩擦力，它可以永無止境地流動而不會失去能量。按照里貝拉蒂和馬切諾尼的理論，時空作為這種特殊的物質形式，也具有非同尋常的特性，就像聲音在空氣中傳播一樣，它提供了一種介質，能讓波和光子得以傳播。

研究人員通過建立模型，試圖將重力和量子力學融合為“量子引力”這種新理論，並表示這將是一個解釋宇宙的超流動性的合理模型。宇宙的四種基本力——電磁、弱相互作用、強相互作用和引力，量子力學可以解釋其他所有，只除了引力。而現在“量子引力”的建模需要去了解這種流體的黏度，結論是其黏度值極低，接近於零。而這在以前從未被加入到詳細考慮範圍內。

研究人員表示，隨著現代天體物理學技術時代的到來，科學家們將擁有更強有力的線索來支持新興的時空模型。

相關書籍

• 《超流體 》/ (美)沈星揚著 (1982). - 北京: 科學出版社
• Mendelssohn, Kurt Alfred Georg (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library. McGraw-Hill.
• Hagen Kleinert, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES", pp. 1–742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (also available online here)