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物質第六態的發現 物質第六態

生活百科費米

探尋物質第六態
人類生存的世界，是一個物質的世界 。然而，這個世界還有許多人們肉眼看不到的物質 。過去，人們只知道物質有三態，即氣態、液態和固態 。20世紀中期，科學家確認物質第四態，即“等離子體態” 。1995年，美國標準技術研究院和美國科羅拉多大學的科學家組成的聯合研究小組，首次創造出物質的第五態，即“玻色一愛因斯坦凝聚態” 。去年，這個聯合研究小組又宣布，他們創造出物質的第六種形態，即“費米子凝聚態” 。
【物質第六態的發現 物質第六態】 何為“費米子凝聚態”
根據“費米子凝聚態”研究小組負責人德博拉·金的介紹， “費米子凝聚態”與“玻色一愛因斯坦凝聚態”都是物質在量子狀態下的形態，但處于“費米子凝聚態”的物質不是超導體 。
量子力學認為，粒子按其在高密度或低溫度時集體行為可以分成兩大類：一類是費米子，得名于意大利物理學家費米；另一類是玻色子，得名于印度物理學家玻色 。這兩類粒子特性的區別，在極低溫時表現得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態上，費米子則與之相反，更像是“個人主義者”，各自占據著不同的量子態 ?！安Ｉ粣垡蛩固鼓蹜B”物質由玻色子構成，其行為像一個大超級原子，而“費米子凝聚態”物質采用的是費米子 。當物質冷卻時，費米子逐漸占據最低能態，但它們處在不同的能態上，就像人群涌向一段狹窄的樓梯，這種狀態稱作“費米子凝聚態” 。
“費米子凝聚態”是如何創造出來的？
科學家們在1995年已成功地通過將具有玻色子特征的原子氣體冷卻至低溫，獲得所謂的 “玻色一愛因斯坦凝聚態” 。由于沒有任何2個費米子能擁有相同的量子態，費米子的凝聚一直被認為不可能實現 。去年，物理學家找到了一個克服以上障礙的方法，他們將費米子成對轉變成玻色子 。這一研究為創造“費米子凝聚態”鋪平了道路 。
德博拉·金領導的聯合研究小組，將具有費米子特征的鉀原子氣體冷卻到絕對零度以上的十億分之一度，此時鉀原子停止運動 。絕對零度相當于一273．15℃ 。試驗中，科學家用激光方法遠遠達不到費米子凝聚所要求的溫度 。為此，還要把原子放到“磁杯”中進行蒸發冷卻 。他們將氣體約束在真空小室中，并采用磁場和激光使鉀原子配對，成功地創造出“費米子凝聚態” 。
費米子與超導體有哪些不同？

首先，費米冷凝體所使用的原子比電子重得多，其次是原子對之間吸引力比超導體中電子對的吸引力強得多，在同等密度下，如果使超導體電子對的吸引力達到費米體中原子對的程度，制造出常溫下的超導體立即可以實現 。超冷氣體中形成費米體為研究超導的機理提供了一個嶄新的物質工具 。當然，現在的技術并不能使所有費米子都可以發生費米冷凝，而且所獲得的冷凝體還相當脆弱——比玻璃還要脆！但這只是技術問題 。
第六態催生下一代超導體
這項成果在超導技術上的應用前景非常廣闊，有助于下一代超導體的誕生，而新一代超導體技術可在電力工程、電能輸送、電動機與發電機的制造、磁流體發電、超導磁懸浮列車、超導計算機、超導電子器件、地球物理勘探、地質學、生物磁學、高能加速器與高能物理研究等眾多領域和學科中大顯身手 。
（摘自《百科知識》2005/01 林泉 ）

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