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。

图 10 – 16  液氮比热曲线[1]

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。

图 10 – 17 液 He-4 喷泉效应实验原理图[2]

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)。

图 10 – 18  液 He-4 喷泉效应实验演示

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。

图 10 – 19  波梅兰丘克制冷和压强测量装置[3]

图 10 – 20  图形表示含有液态 3He 液体和固态 3He 冰的混合物样品的内部压强随时间的变化关系。首先对样品加一个外部的压强,时间大约为 40 分钟,此后压强逐渐减小。请注意 A,B 段的曲线及所对应的温度。曲线的形状说明在这些温度下发生了相变。

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。

图 10 – 21  康奈尔低温小组实验日志摘要
图 10 – 22  戴维·李、奥谢罗夫(左)和里查森(右)合影

[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

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发布时间:2024/3/27 21:19:41  阅读次数:187

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