10.8 超流动性的发现

超流动性是又一种宏观量子效应。当液体变为超流体时，液体中的原子会突然失去随机运动的特性，而以有序的方式运动。于是，液体失去了所有的内摩擦力，表现出一系列奇特的性质。

10.8.1 液氦相变和氦 4 超流动性的发现

卡麦林-昂纳斯在 1908 年成功实现氦的液化之后，很长时间致力于氮的固化，但都没有成功，直到 1926 年他的合作者开索姆（W.H.Keesom）采取降温同时加压的办法，才终于实现了这一目标。与此同时，他们和其他学者对液氦进行了系统的测量和研究，陆续发现了一些异常的迹象。

1923 年，卡麦林-昂纳斯和丹纳（L.I.Dana）在 2.2 K 附近测量了液氦的潜热和比热，首次在这一温度下观察到了不连续性。

1927 年，开索姆和沃尔夫克（M.Wolfke）证实这一不连续性是由于在液氦中发生了相变，他们把高于相变点的氮称为 He Ⅰ，把低于相变点的称为He Ⅱ。

1932 年，开索姆和克鲁休斯（K.Clusius）又在对液氦比热的测量中，确定了这一相变点，从曲线上可以看出，在 2.17 K 处出现了突变，他们根据曲线的形状（如图 10 – 16），把这一相变点取名为 λ 点。

1938 年，有两个研究小组，一个以卡皮查为首，一个以阿伦（John F.Allen）为首，在同一期的《自然》杂志分别发表通讯，描述对 2.2 K 以下温度的氦通过狭窄通道时进行粘滞性测量的结果。两个小组都宣布液氮的粘滞系数小到无法测量。卡皮察把这一现象称为“超流动性”。卡皮察是用两块夹在一起、中间留有狭窄缝隙的玻璃板，让液氦在缝隙中流动。阿伦则是用毛细管进行观察。

随后，阿伦和琼斯（H.Jones）又在《自然》杂志上报导液氦的热-机械效应。其中有一个实验第一次显现了所谓的“喷泉效应”，如图 10 – 17，他们用一个底部填充金刚砂细粉的 U 形管，管子置于液氮池中，下部有开口，顶部有一窄口，当用光对着有金刚砂细粉的管壁辐照时，液氦便会从顶部向上喷出。又过了几个月，牛津的顿特（J.G.Daunt）等人发现了所谓的“爬行膜”现象，他们在盛有液氦的大容器里放了一个小容器，液氦就在小容器壁上形成薄膜并以薄膜的形式流动。

一系列实验上的新发现对液氦理论提出了挑战。1938 年，梯沙察（L.Tisaza）在 F.伦敦有关液氮的玻色-爱因斯坦凝聚的基础上，提出了液氦的“二流体模型”。这模型认为，液氦 Ⅱ 由正常流体和超流体两种成分组成。这一理论不但能够解释液氦的一些性质，还预言了喷泉效应的逆效应（机械-热效应）。

1941 年，朗道从微观入手，将量子理论直接用于液氦的超流问题。他提出了元激发概念，并推导出液氦元激发能谱。朗道的理论成功地解释了液氦超流动性的许多性质，并预言了在液氦中温度波的存在。三年后，这一预言得到了苏联物理学家彼什科夫（В.П.Пешков）的实验证实。20 世纪 50 年代，朗道和金茨堡把他们的平均场理论用于描述超流体相中的输运特性；美国物理学家费因曼则进一步完善发展了液氦超流动性理论，使得理论与实验更为相符。

10.8.2 氦 3 超流动性的发现

在自然界，氨有两种同位素。两种形式的氦具有完全不同的基本特性。⁴He 是最普遍的，而 ³He 只占很少一部分。构成 ⁴He 的粒子是偶数，因而是玻色子。³He 则是费米子。当两种同位素冷却到接近绝对零度时，它们的特性表现出巨大的差异。⁴He 遵从玻色-爱因斯坦统计，处于能量最低的状态会发生玻色-爱因斯坦凝聚。

理论家普遍认为，对于像 ³He 这样的费米子，它们遵从费米-狄拉克统计，即使在最低能量下也不能发生凝聚。由于这种原因，在绝对零度以上几度，³He 似乎不可能发生像 ⁴He 那样的超流动现象。但是，事实上 ³He 也能发生凝聚现象，不过发生的机理更加复杂。这种现象可以由金属的超导理论——BCS 理论来解释。人们预期 ³He 也能形成玻色子对，在极低温下的 ³He 同位素也会形成超流体。然而，虽然许多研究小组致力于这方面的研究，尤其是 20 世纪 60 年代从事这方面研究的组织更多，但是没有一个小组获得成功，于是许多人认为 ³He 不可能形成超流体。

但是，1972 年情况发生了变化，美国康奈尔大学低温物理实验室里的戴维·李（David M.Lee，1931— ）、奥谢罗夫（Douglas D.Osheroff，1945— ）和 R.C.里查森（Richard C.Richardson，1937— ）发现 ³He 在大约 0.002 K 时有奇特的相变。他们采用的是 20 世纪 50 年代苏联人波梅兰丘克（Pomeranchuk）提出的制冷方法，即在低温下绝热压缩液态 ³He，利用液态逐渐转化为固态时吸热的制冷效应，使温度下降。这一制冷效应，也称波梅兰丘克效应，是当时获得极低温的一种新方法（装置如图 10 – 19）。一般的情况是，物质的液相原子的排列是无序的，而固相中原子作周期性的排列，非常整齐有序，但其原子的核磁矩间相互作用很弱。根据理论计算，磁有序转变温度大约在 2 mK，在这一温度以上，核磁矩取向混乱，而液相的 ³He 原子间的相互作用并不改变费米液体的特征。在低温下，熵随温度变化，在 300 mK 以下，液相 ³He 的熵比固相 ³He 的自旋熵小得多，因此，靠绝热压缩液态 ³He，可以使液态 ³He 的一部分变成固态，并降低混合物的温度。

通过耐心细致的实验，戴维·李等人在 2 mK 的低温下发现了两个新的液氦 3 相，具有不寻常的磁学性质。他们的观测描绘在如图 10 – 20 的曲线上。这一发现一经宣布，马上掀起了一场新量子液体的研究热。在这中间理论物理学家勒格特（Anthony Leggett）作出了重要贡献，他对发现作出了理论解释。他的解释进一步使人们认识到，用于微观系统的量子物理学定律有时可直接影响宏观系统的行为。

上述的发现公布不久，人们就进一步证实了新的流体是超流体，在这方面作出贡献的有赫尔辛基技术大学劳那斯玛（O.Lounasmaa）领导下的研究小组。他们测量了样品中振弦的阻尼，发现当样品由相变变为新的态时，阻尼减小了 1 000 倍。这说明液体没有内摩擦（粘滞性）。就这样，³He 的超流动性终于被发现了。

稍后的研究又证实 ³He 至少有三种不同的超流体相，其中有一个相只有把样品放置于磁场中才会出现。作为量子液体，³He 比 ⁴He 具有更加复杂的结构。例如，³He 超流体具有各相异性的特性，即在不同的空间方向表现出不同的特性，这在经典液体中是没有的，这一点倒很类似于液晶的特性。

如果超流体以一定的速度旋转，当旋转速度超过临界值时，微观的涡旋产生了。这种现象在 ⁴He 中也是存在的，但是人们对 ³He 进行了更深入的研究，因为它的涡旋具有更复杂的结构。芬兰的研究人员已经发明了一项技术，他们用光纤直接观察到了在绝对温度 0.001 K下 ³He 旋转时的表面涡流效应。

³He 超流体的发现有重要的意义。首先是在天体物理学上有着奇特的应用。有两个实验研究组已经使用相变产生的 ³He 超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。这种浩瀚的假想物体对于星系的形成可能是重要的。人们认为，在宇宙大爆炸后的若干分之一秒内，由于快速相变导致这些物体的形成。研究小组使用中微子引起的核反应局部快速加热超流体 ³He，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但可以认为是对 ³He 流体涡旋形成的理论验证。

[1] 转引自：Trigg G L.Landmark Experiments in Twentieth Century.Crane：Russak & Co.，1975.61

[2] 转引自：Trigg G L.Landmark Experiments in Twentieth Century.Crane：Russak & Co.，1975.71

[3] 引自：Osheroff D D，Richardson R C，Lee D M.Phys.Rev.Lett.，1972（28）：885 ~ 888

发布时间：2024/3/27 下午9:19:41  阅读次数：1940