正文 第10章 時代軌跡——物質形態與科技(2)(2 / 2)

此外,玻色凝聚態的研究也可以延伸到其他領域。例如,磁場可以用來調控原子之間的相互作用,可以在物質第五態中產生類似於超新星爆發的現象,甚至還可以用玻色凝聚體來模擬黑洞。總之它的出現能夠使物質的形態更加神秘,讓人產生好奇心!

不過,這種物質形態的實現並不簡單。因為,其實現條件中充滿了矛盾,一方麵希望達到極低的溫度,另一方麵還要求原子體係處於氣態。一般情況下,物質在低溫的時候,都會呈現出固態。而如果要使物質呈現出氣態,這幾乎是不可能的。那麼,玻色——愛因斯坦凝聚到底是怎樣實現這一物質形態的呢?一般在凝聚態情況下,所有的原子都具有同一個狀態,並且原子可以無阻力地自由移動,也就是所謂的“超流體”。這個超流體能量非常低,好像一座突然坍塌的大樓一樣,如果再有足夠低的溫度,那麼物質就會呈現出另一種形態。可是,如何才能達到最低溫度呢?經過科學家無數次的實驗,最後決定利用激光冷卻技術,這樣就可以製造出與絕對零度僅僅相差十億分之一度的低溫。這樣一來,也就具備了這兩個條件,就能觀測到玻色——愛因斯坦凝聚態,即是物質的第五形態!

4.物質的第六形態

物質除了有玻色——愛因斯坦凝聚態以外,還有一種凝聚態叫作“費米子凝聚態”,即物質的第六種形態。2004年1月29日,物質的第六種形態由美國標準技術研究院以及美國科羅拉多大學組成的聯合研究小組宣布。該新物質是由在接近絕對零度的溫度下過度冷卻的氣態原子團構成的,研究者希望這一新物質能有助於未來室溫超導體的研製。專家認為,這一成果為人類認識物質世界打開又一扇大門,具有重大的理論和實踐意義。

那麼,究竟什麼是費米子凝聚態呢?實際上,它是與第五種物質形態直接相關的一種物質形態,也是物質在量子狀態下的形態。

不過,處於“費米子凝聚態”的物質還不能被認為是超導體。

量子力學認為,自然界中的顆粒可以分為兩類:一類是玻色子;一類是費米子。這兩類顆粒具有一定區別,它們具有不同特性,最明顯的是在極低溫時候。玻色子一般情況下是全部聚集在同量子態上,從而形成玻色——愛因斯坦凝聚態,也就是物質的第五種形態,它由玻色子構成,像一個超級大原子。而費米子則與之相反,它們是比較獨立的一類,各自占據著不同的量子態,由費米子構成,遇到特別低的溫度時,就會逐漸占據最低能態,但它們是在不同能態上堆疊起來的,一節一節的,因此從整體上來看,就像是樓梯上站滿了人。

那麼,費米子是怎麼被發現的呢?它是被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發現的,他們打破傳統理論上的不可能,發現了一個能夠克服費米子的凝聚障礙的方法,將費米子先轉換成玻色子,然後再根據玻色子凝聚的原理進行費米子凝聚。

於是,德博拉·金領導的聯合研究小組進行了精心的研究,他們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,這時候的鉀原子便停止了運動。我們知道絕對零度就相當於零下273.15℃,可想而知它的十億分之一的溫度有多麼低。如果僅僅是用激光冷卻的方法,遠遠達不到費米子凝聚所要求的溫度。正由於此,需要把原子放到“磁杯”中進行蒸發冷卻。於是他們就將氣體約束在真空小室中,並采用磁場和激光同時使鉀原子進行配對,最後終於成功地創造出“費米子凝聚態”。

我們知道,費米子本身不是導體,這是由於它所使用的原子比電子重得多,並且各個原子對之間的吸引力比超導體中電子對的吸引力要強得多。但是,費米子凝聚態研究建立在玻色——愛因斯坦凝聚態的研究基礎上,這對於超導技術的發展有很廣闊的前景,也就是說有利於下一代超導體的誕生。超冷氣體中形成的費米子,為研究超導的機理提供了一個嶄新的物質工具。隻是現在的技術還不能使所有費米子都可以發生費米冷凝,即使能夠獲得冷凝體,也是比較脆弱的。不過,相信隨著科學技術的不斷發展,費米子在超導體上的貢獻終有一天會實現的。如果真的有這麼一天,新產生的超導體技術可在電力工程、電能輸送、電動機與發電機的製造、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。