物理學家聲稱創造出「不可能」的物質新形式:超固體!

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最有說服力的超固體存在證據。

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我們的世界剛剛出現一個小陌生客。物理學家聲稱,成功地在實驗室裡創造出一種全新’不可能’的物質形式,超固體(supersolid),它同時具有液體和固體的特性。

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這些科學家推測,這種怪異的物質態可能存在超過50年,但沒有人能夠證明它實際上是可能的。現在,兩個獨立的物理學家團隊使用不同的技術來達成同樣的奇特結果,他們所聲稱的是超固體物質的第一批例子。

對於那些不熟悉超固體究竟有多怪異的人來說,’超固體’是一種怪異的物質態,它具有固體的結晶狀結構,然而像液體一樣流動。這對傳統物理學來說,是相當矛盾的。

通常,物質只存在四種簡單狀態:固體,液體,氣體和電漿。這些狀態的出現,取決於諸如溫度和壓力等條件,而且由物質內的粒子排列所限定。

物質超固態怪異的地方在於粒子排列成剛性的固體結構,但另一方面它也可以沒有黏滯性(viscosity)或’粘性(stickiness)’的流動,這是超流體(superfluid)的關鍵特徵。

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這項發現背後的一個團隊首席研究員、來自麻省理工學院的Wolfgang Ketterle說:「一種物質結合了超流性和固性,是違反直覺的。」

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MIT: 超流體從密閉的空間流出

超固體是回到1969年由俄羅斯物理學家首先預測的。他們假設在某些條件下,氦-4同位素可以同時顯示固體和液體特性。

一項突破在2004年出現,當時賓州州立大學(Pennsylvania State University)的研究人員將氦氣冷卻到絕對零度(約攝氏零下273度)以上的不到10分之1度,碰巧發現這可能是一個超固態。

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如同Bec Crew在去年對我們報告,鑒於他們無法排除一層薄薄的液體可能躲避在容器內,然後扭曲他們的研究結果,這個團隊沒有足夠的信心來表示他們實際上做出一個超固體。

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隨後十年的幾個實驗,藉由顯示氦-4在特定情況下有一種’量子可塑性(quantum plasticisity)’,這種可塑性不是由超固性所引起的,進一步揭穿已經做出超固體的想法。

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圖:Alan Stonebraker

科學界大多數的人相當判定2004年的樣本不是一個真正超固體的例子,而且在過去幾年,這個領域在這個問題上是非常地安靜。

然而在11月,不是1個而是2個獨立團隊,在預印論文中宣稱他們做到了,他們設法在實驗室裡創造出超固體。

這些研究人員來自麻省理工學院和瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)。雖然過程不同,但這2個團隊都使用一種名為玻色-愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate)的奇怪類型氣體,來產生他們的超固體。

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玻色-愛因斯坦凝態是物質第5態,出現在超低溫,原子會表現得像波一樣。

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它們有自己獨特的特性,但使用玻色-愛因斯坦凝態創造出超固體的好處是,它已經是一個超流體,因此,它在成為超固體的半途上。

這個團隊採用這些超低溫氣體,並使用稍微不同的技術將它們哄騙成物質的量子相,具有像固體的剛性結構,但流動像超流體的能力。

瑞士研究人員之所以能夠做到,是藉由採取少量的銣氣體,並且放在真空室中,將它們冷卻到絕對零度以上的幾十億分之一凱度,造成它們形成玻色-愛因斯坦凝態。

然後,這個團隊把這個玻色-愛因斯坦凝態置於具有兩個光學共振室的裝置中,每個光學共振室由兩個微小的相對鏡子所組成。利用雷射,這些粒子最終形成一種規則晶體狀的結構,一種固體的象徵。

但是這個玻色-愛因斯坦凝態也保留超流體特性,能夠在沒有任何能量輸入的情況下流動,這對正常固體來說是不可能的。

蘇黎世聯邦理工學院團隊的一位成員Tilman Esslinger告訴科技新聞網站Phys.org:「由於一種複雜的設定,允許我們對這些原子做出兩個相同的共振室,使得我們能夠在實驗室裡產生這種特殊態。」

麻省理工學院的團隊採取不同的方法。他們使用雷射和蒸發冷卻方法的組合,將鈉原子變成玻色-愛因斯坦凝態。

然後,藉由在這些原子中產生密度變化,他們也使用雷射來巧妙處理玻色-愛因斯坦凝態,成為結晶固體排列。

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雖然過程不同,但最終結果與瑞士團隊相同,固體物質像超流體一樣流動。

這些結果被兩個團隊同時驗證的事實,甚至讓人更加信服這些超級固體是真的。

回到11月,來自紐約城市大學(City University of New York)、沒有參與這項研究的Sarang Gopalakrishnan告訴科學新聞(Science News):「這肯定是第一次,你可以明確地看見一個系統,然後說這是一個超流體,也是一個固體。」

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有一些爭議,因為這個團隊使用玻色-愛因斯坦凝態,而不是氦-4,來產生物質態,它可能被視為’欺騙’。但它絕對是到目前為止,超固體存在最令人信服的證據。

那麼,對於我們其他人來說,潛在的新物質態是什麼?就在此刻,很少。這些材料只能在超真空條件下的極低溫存在,意味著它們目前不是很有用。

但是,進一步了解物質的奇怪狀態,可以導致超導體的改進。超導體是相當有用的材料,導電時沒有阻力。

儘管這兩個團隊同時提出這項聲明聽起來很競爭,但是事實上是這兩個研究小組都歡迎彼此驗證和回應。

這兩篇論文已經發表在自然期刊(Nature)。在這裡以及這裡

「語音合成由賽微科技提供」

來源:ScienceAlert