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 [转帖]物质第六态
人类生存的世界，是一个物质的世界。然而，这个世界还有许多人们肉眼看不到的物质。
过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。２０世纪中期，科学家确认物质第四态，即“等离子体态”。１９９５年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色－爱因斯坦凝聚态”。２００４年１月２９日，这个联合研究小组又宣布，他们创造出物质的第六种形态，即“费米子凝聚态”。
回顾物质前五态
人们通常所见的物质是由分子、原子构成的。处于气态的物质，其分子与分子之间距离较远。而对液态物质来说，构成它们的分子彼此靠得很近，分子一个挨着一个，它的密度要比气态的大得多。至于固态物质，它们的原子一个挨着一个，并相互牵拉，这就是固体比液体硬的原因。而被激发的电离气体电离到一定程度后，便处于导电状态，这种状态的电离气体表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动，都会影响其周围带电粒子，同时也受其他带电粒子的约束。因为电离气体内正负电荷数相等，所以电离气体整体表现出电中性，这种气体状态被称为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称为物质第四态。
所谓“玻色－爱因斯坦凝聚态”，是科学巨匠爱因斯坦在７０年前预言的一种新物态。为了揭示这个有趣的物理现象，世界科学家为此付出了几十年的努力。
１９９５年，美国科学家维曼、康奈尔和德国科学家克特勒首先从实验上证实了这个新物态的存在。为此，２００１年度诺贝尔物理学奖授予了这３位科学家，以表彰他们在实现“玻色－爱因斯坦凝聚态”研究中做出的突出贡献。
“玻色－爱因斯坦凝聚态”是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。要达到该状态，一方面需要物质达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文，曾因研究出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法，而与另２位科学家分享了１９９７年的诺贝尔物理学奖。“玻色－爱因斯坦凝聚态”所具有的奇特性质，不仅对基础研究有重要意义，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域，也都有很好的应用前景。
何为“费米子凝聚态”
根据“费米子凝聚态”研究小组负责人德博拉·金的介绍，“费米子凝聚态”与“玻色－爱因斯坦凝聚态”都是物质在量子状态下的形态，但处于“费米子凝聚态”的物质不是超导体。
量子力学认为，自然界的粒子不是玻色子，便是费米子。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着不同的量子态。“玻色－爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像一个大超级原子，而“费米子凝聚态”物质采用的是费米子。当物体冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚态”。
如何创造“费米子凝聚态”
科学家们在１９９５年已成功地通过将具有玻色子特征的原子气体冷却至低温，获得所谓的“玻色－爱因斯坦凝聚态”。由于没有任何２个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。去年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。这一研究为创造“费米子凝聚态”铺平了道路。
德博拉·金领导的联合研究小组，将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一度，此时钾原子停止运动。绝对零度相当于零下２７３．１５摄氏度。试验中，科学家用激光方法远远达不到费米子凝聚所要求的温度。为此，还要把原子放到“磁杯”中进行蒸发冷却。他们将气体约束在真空小室中，并采用磁场和激光使钾原子配对，成功地创造出“费米子凝聚态”。
有关专家认为，这项成果是量子科学研究的一大突破。也有人对创造出物质的第六种形态持谨慎态度，认为所谓“费米子凝聚态”，只不过是这个联合研究小组去年１１月首次利用费米子成功地创造出了“玻色－爱因斯坦凝聚态”研究的继续。
第六态催生下一代超导体
这项成果在超导技术上的应用前景非常广阔，有助于下一代超导体的诞生，而下一代超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。
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2004-12-29 13:39
