为什么异物穿过超流体的速度可以超过临界极限

最近,在氦3超流体这一寒冷稠密的介质中,科学家做出了意外发现。穿过介质的异物可能会超过临界速度极限,而不会打破超流体的状态。

这与长久以来的经验相矛盾,因此是个亟需解释的问题——但是现在,物理学家已经弄清了真相。原来超流体中的颗粒会粘附到对象上,包裹住它使其无法和超流体整体相互作用,从而避免了超流体的崩溃。

超流体是一种粘度为零,摩擦为零的流体,因此流动时不会损失动能。可以利用氦4同位素的玻色子相对容易地制造出超流体,只要将其冷却到恰高于绝对零度时,低温减缓了原子的震荡,整体同步并形成高密度的原子团——所有原子表现成一个“超级原子”。

除此之外,还有基于费米子的超流体。费米子是包括原子构件(如电子和夸克)的颗粒。

当冷却到一定温度以下时,费米子便结合在一起,形成所谓的库珀对,每个库珀对由两个费米子组成,它们共同形成一个复合玻色子。这些库珀对的行为完全类似于玻色子,因此可以形成超流体。

该团队利用氦3制造出费米离子超流体——那是一种稀有的氦同位素,比氦4少一个中子。当氦3冷却到仅比绝对零度高0.0001开尔文时,就会形成库珀对。

这些超流体非常脆弱,如果物体以一定的速度(称为临界Landau速度)通过它,则库珀对就会破裂。

然而,在2016年,兰开斯特大学的研究人员发现,穿过氦3超流体的线材可以在不破坏超流体的情况下,超过临界速度。

在后续实验中,他们测量了使线材穿过超流体所需的力。当导线开始移动时,会有很微弱的阻碍力,但是一旦开始移动,所需推力为零。

最开始,线材插入的时候,需要推开库珀对,所以测得了阻力。当超流体中的库珀对覆盖包裹住了异物后,对于超流体来说,移动的那团事物就是超流体本身,所以不会因相互作用破坏超流体的稳定性

铁离子超流体可被用于制造超导体,而超导体是量子计算机的重要组成部分。了解更多有关超流体的机制,可能会使我们更接近最终的应用目标。

该研究在《自然通讯》上。

原文:https://www.sciencealert.com/there-s-no-speed-limit-in-a-superfluid-universe-now-we-know-why

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