2020-09-25 00:37:23

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超固态是指当物质处于在140万左右大气压下,物质的原子就可能被"压碎"。电子全部被"挤出"原子,形成电子气体,裸露的原子核紧密地排列,物质密度极大,这就是超固态。一个乒乓球大小的超固态物质,其质量大于等于1000吨。

2016年1月,英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态,从而生成"第五状态氢",即超固态氢。

基本信息

  • 中文名称

    超固态

  • 外文名称

    supersolid

  • 发现者

    美国科学家陈鸿渭

  • 条件

    处于140万大气压左右

  • 特点

    密度很大 具有超流体性质

折叠 编辑本段 简介

美国科学家宣称他们可能发现了物质存在的新状态-超固态(或超固体)。如果他们的发现是正确的话,那么他们见到的则是物质的一种十分奇异的状态。该状态下的物质为一种晶体固态,但能像滑润的、无粘性的液体那样流动。物质的第五态即超固态,又称超密态。当物质处于在140万大气压下,物质的原子就可能被"压碎"。电子全部被"挤出"原子,形成电子气体,裸露的原子核紧密地排列,物质密度极大,这就是超固态。超固态是物质在空间内整齐的,紧密排列的具有超流体性质的一种物质。一块乒乓球大小的超固态物质,其质量至少在1000吨以上。

在通常状况下,铁的密度是每立方厘米7.9克,为普通岩石密度的的两倍多。铂的密度是每立方厘米21.5克,约为铁的密度的2.8倍,其密度在地球上可谓大矣。然而,在宇宙中有些天体的密度却大得惊人。

在低温时,电子气是简并的。对于理想的简并电子气,在零温时,电子所具有的最高动量(称为费密动量pF)为,式中为,h为普朗克常数,n为电子数密度。可见,即使在零温时,电子仍然具有相当高的动量,可以产生相当高的压力。

折叠 编辑本段 研究历史

科学家曾于2004年首次报告了超固体(或称超固态)的存在,处于这种状态下的固体能毫无摩擦力地流动,但同时也有专家质疑当时的研究人员对实验结果的解读是错误的。

2004年,韩国科学和技术先进研究所的金恩盛(音译)和美国宾夕法尼亚州立大学的摩西 陈在《自然》杂志上报告称,他们对冷却后的液态氦施压直至原子被迫进入晶格中,然后让一个填满了这种固体氦的滚筒先朝一个方向旋转,再朝反方向旋转,如此反复。当该滚筒被冷却时,会更加频繁地转换旋转方向。他们推测,这是因为有些氦变成了无摩擦力的超固态,减少了同滚筒一起旋转的氦的质量,使滚筒能更快地改变方向。

但美国康乃尔大学的约翰 雷普对此解释提出了质疑。雷普认为,滚筒能在更低温度下更快地转换方向是因为氦已经变成了不稳定的"量子塑料"――一种科学家以前并不知晓、有别于超固态的物质相位。他表示,是"量子塑料"增加的弹性让滚筒更容易改变其旋转方向。

为了验证雷普的说法是否正确,金恩盛将滚筒放置在一个更大的装置中,并让这种装置仅朝一个方向旋转,而其内部的滚筒则跟之前实验一样,先朝一个方向旋转,再朝反方向旋转。他认为,弹性应该只能影响滚筒改变其旋转方向的频率,如果固态氦是量子塑料,那么,外部添加一个大的装置并不会改变结果。

然而,金恩盛的研究团队发现,实验结果出现了变化,随着温度下降,滚筒旋转方向改变的频率并没有加快。他表示,最好的解释就是氦变成了超固体,因为在一个超固体中,持续的旋转应该导致涡系形成(如同液体中出现的一样),从而干扰物质的量子属性,并且减少超固态物质。

与此同时,西班牙加泰罗尼亚理工大学的雅洛斯拉弗 路特斯希恩和同事在最近的研究中也发现了超固态存在的更进一步证据。他们表示,超固体氦之所以流动是因为在晶格中形成了洞。该团队试验了这些洞在不同压力下形成的可能性,结果证明,洞形成的压力同金恩盛实验中确认超固态氦出现比例最大时的压力最匹配,这说明金恩盛的实验的确提供了确凿的证据(尽管并非全部证据)表明固体氦中包含超固体。

然而,雷普还是对此保持怀疑,他认为,外部添加的装置所补充的能量不会影响滚筒改变旋转方向的频率这一假设不对。他表示,研究人员看到的超固体信号正是"量子塑料"弹性的表现。

2016年1月,英国爱丁堡大学科学家利用钻石对顶砧制造出某种极端高压状态,从而生成"第五状态氢",即超固态氢。

折叠 编辑本段 存在部位

有研究认为,在白矮星里面,压力和温度高,这种状态下,不但原子之间的空隙消失,原子外围的电子层也被压碎了,所有的原子核和电子都紧紧地挤在一起,不再有什么空隙。这样的物质被称做超固态。

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