超流体

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超流體是一種物質狀態，特點是完全缺乏黏性。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。超流體是被 彼得·卡皮查、約翰· 艾倫和冬·麥色納在1937年發現的。有關超流體的研究被稱為量子流體力學。氦-4的超流體現象理論是 Lev Landau 創造的，而 Nikolay Bogoliubov 是第一個建議使用簡單微小理論者。

[编辑] 原理

於量子液體低於某臨界轉變溫度會形成超流態。比如氦最豐富的同位素，氦-4，在低於 2.17 K (−270.98°C) 時便會變成超流體。氦-4形成超流態的相變稱為Lambda相變 (Lambda transition)，因它的比熱容對溫度曲線形狀如同希臘字母「λ」一樣。凝聚態物理學中一些相近的相變亦因而叫作Lambda相變。氦較貧乏的另一種同位素，氦-3，在更低的 2.6 mK 成為超流體。這個溫度只是比絕對零度高幾個開爾文。

雖然這兩個系統的超流體表徵很相似，但其本質卻是南轅北轍。氦-4是玻色子，其超流性質可以用玻色-愛因斯坦統計解釋。可是，氦-3是費米子，其超流性必須用到描述超導體的BCS理論之推廣才可了解。其中，原子代替了電子形成庫伯對 (Cooper pair)，而它們的吸引作用力調控機制由自旋波動 (Spin fluctuation) 代替了聲子。詳情請參看費米子凝聚態。超流體和超超導體的統一理論可以以規範對稱破缺 (Gauge symmetry breaking) 表達。

超流體，如超冷凍的氦-4，有很多稀奇的性質。它就像一般液體加上超流體的特有的性質，如全無粘性、零熵度，和無限大的熱傳導率。(故此在超流體中出現溫差是不可能的，就如超導體內沒有電勢差一樣。)其中最令人嘆為觀止的是「熱機效應」(Thermomechanical effect)，或稱「噴泉效應」(Fountain effect)。如一纖細管放在一池超流氦之中，而纖細管被加熱 (如對它照光)，氦便會爬上管頂。 這是克劳修斯-克拉佩龙方程的結果。另一樣奇特現象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一层單原子厚度的液体薄膜。

一個比零粘性更為基本的性質是超流體在旋轉的容器中會有量子化的渦度^[1]，而不會隨容器均勻轉動。

[编辑] 應用

超流體其中一個重要的應用是稀釋致冷機 (Dilution refrigerator)。

近期超流氦-4已成功用作化學領域光譜分析技術的量子溶劑。在超流氦滴光譜分析 (SHeDS) 中，單個分子溶於超流介質之中，使之有有效的旋轉自由度，如同在氣態之中。這引起了對氣體分子研究的極大興趣。

超流體亦用於高精度儀器，如陀螺儀。它可以量度一些理論預測的引力效應。詳情可參看 Gravity Probe B 的文章。

[编辑] 近期的發現

麻省理工學院的物理學家最近在劍橋發現一種新物質態：超流氣體。這種物質是 50 nK 的鋰-6。

此外，於 2004 年賓州州立大學的物理學家亦發現了超固體。當氦-4在高壓冷凍到 2 K 以下，超流體便相變成超固體。它亦可以零粘度流動。^[2]

雙原子分子氫 (H₂) 亦有超固態。

[编辑] 相關書籍

• 《超流体 》/ (美)沈星揚著 (1982). - 北京: 科学出版社
• Mendelssohn, Kurt Alfred Georg (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library. McGraw-Hill.
• Hagen Kleinert, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES", pp. 1–742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971502100 (also available online here)

[编辑] 另見

• 超逆磁性 (Superdiamagnetism)
• 玻色-愛因斯坦凝聚態

[编辑] 参考文献

[编辑] 外部連結

• Superfluid phases of helium
• http://www.aip.org/png/html/helium3.htm
• http://www.aip.org/pt/vol-54/iss-2/p31.html
• http://web.mit.edu/newsoffice/2005/matter.html
• http://physicsweb.org/articles/world/11/6/3/1
• Superfluidity makes headlines once again (includes image)
• 超流體的發現