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物質的狀態(3)低溫物質:超導、超流體、玻色-愛因斯坦凝聚態

今天介紹的物質狀態都是在超低溫的情況下的物質特性。超低溫一般指接近絕對零度(-273攝氏度)。

物質的狀態(3)低溫物質:超導、超流體、玻色-愛因斯坦凝聚態

(1) 超導體(Superconductivity)

因為超導體擁有零電阻的物質,所以可以有完美的導電性。當它處在外加磁場中,會對磁場產生微弱的排斥力,這種現象稱為邁斯納效應或者完美的抗磁性。超導磁鐵在核磁共振成像機中用作電磁鐵。

超導現象是在1911年發現,在往後的時間,瞭解到部分金屬和合金在絕對溫達到30度之下擁有這種特性。

直到1986年,在一些陶瓷的氧化物中發現一種名為高溫超導電性的特質,而這種物態出現的溫度已提高到絕對溫度164度。

(2) 超流體(Superfluid)

當接近絕對零度時,部分液體會轉變成另一種名為超流體的液體狀態,它的特點是黏度值(viscosity)是零,就是指擁有無限的流動性。

科學家在1937年發現,將氦冷卻到低於lambda溫度(2.17K)便形成超流體。此時,氦氣可以在容器中不斷流動,並可對抗地心吸力。氦-4為了找尋自己的定位會在容器上緩慢地流動,在短時間之後,兩個容器的水平將會是一致。而大容器的內壁將會被Rollin膜所覆蓋,如果容器的不是密封的,液體便會流出來。超流體擁有無限大的熱傳導率,所以在超流體中不能形成溫度梯度。這些特性可以用氦-4在超流體狀態中轉變成玻色-愛因斯坦凝聚態。最近,費米凝聚態的超流體可以由氦的同位素氦-3或者鋰的同位素鋰-6在更低溫的狀態下轉變而成。

物質的狀態(3)低溫物質:超導、超流體、玻色-愛因斯坦凝聚態

(3)玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose–Einstein condensate)

它是由阿爾伯特·愛因斯坦和薩特延德拉·納特·玻色在1924年預測出來,亦被稱為第五種物質狀態。多年來,玻色-愛因斯坦凝聚態在氣體狀態下都是一個理論上的預測而已。最後,由沃爾夫岡·克特勒、埃裡克·康奈爾及卡爾·威曼所領導的團隊,在1995年首先透過實驗製造出玻色-愛因斯坦凝聚。玻色-愛因斯坦凝聚態比固態時溫度更低。當原子有非常接近或者一致的量子等級和溫度非常接近絕對零度 0 K(−273.15 °C;−459.67 °F)時便會出現玻色-愛因斯坦凝聚態。

物質的狀態(3)低溫物質:超導、超流體、玻色-愛因斯坦凝聚態

  • 能量比較高的時候是– (氣態)
  • 能量降低– (液態)
  • 能量繼續降低– (固態)
  • 降低到一定程度– 分子之間形成我中有你你中有我的狀態 – (玻色-愛因斯坦凝聚態)

(4)裡德伯分子(Rydberg molecule)

裡德伯態(Rydberg modecules)屬於強力的非理想等離子的其中一種穩定狀態。當電子處於很高的激發態後冷凝而形成。當到達某個溫度時,這些原子會變成離子和電子。在2009年4月的科學雜誌《自然》中報導,斯圖加特大學的研究員成功由一粒裡德伯原子和一粒基態原子中創造出裡德伯分子(實驗中利用極冷的銣原子)。並由此證實了科羅拉多大學- 博爾德校區的物理學家克里斯格林(Chris Greene)的假設,他認為這一種物質狀態是真正存在的。

美國和奧地利的物理學家使用鐳射引導(coaxed )超冷鍶原子(strontium atoms)進入複雜的結構(complex structures),這與自然界中以前所見的任何事物都不一樣(unlike any previously seen in nature)。賴斯(Rice)大學的物理學家湯姆·基利安(Tom Killian)說:“令我們驚訝的是,我們發現了一種原子組裝的新方法。” “它表明了物理和化學定律的豐富程度。” 基利安是《物理評論快報》( Physical Review Letters)上一篇新論文的核心科學家,該論文總結了該小組的實驗發現。基利安與賴斯量子材料中心的實驗物理學家以及哈佛大學和維也納科技大學的理論物理學家合作進行了為期兩年的專案,該專案利用鍶原子製造了“裡德伯極化子”(Rydberg polarons),該鍶原子的溫度至少比深空要低100萬倍。

前期分享:

物質的狀態(固、液、氣、等離子體)

物質的態(二)液晶、無定形、磁序

分類: 家居
時間: 2021-11-01

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