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新型量子液滴:可构成世上最稀薄液体,比水稀

致研科技2018-01-14文章动态
来源:新浪科技  作者:叶子  责编:骑士
 
据国外媒体报道,巴塞罗那的一支物理学家团队研发了一种新型液滴,其粒子之间通过奇异的量子法则相互联结,比水还要稀薄1亿倍。
 
研究人员在12月14日发表在《科学》上的一篇论文中介绍了这种奇异的液滴。他们利用西班牙光子科学研究所实验室中的激光晶格(一种用于操控量子粒子的光学构件)研制出了这种液滴。它们确实是一种液体,体积不随外部温度的变化而改变,且量少时会聚集成液滴形式。气体则与之相反,总会向外扩散、将整个容器填满。但这种液体密度比正常情况下的任何液体都要低,通过一种名为量子波动的现象维持液体状态。
 
研究人员将钾原子构成的气体冷却到零下273.15摄氏度,接近绝对零度。在这种温度下,原子会变为玻色-爱因斯坦凝聚态,即低温原子聚集在一起、相互重叠。这些凝聚态原子非常有趣,因为它们的行为受量子法则主导,与能够解释大部分物质行为的传统物理法则截然不同。
 
研究人员将两份凝聚态物质强压到一起,使其成为液滴状,然后更多的液滴相互联结,逐渐积攒起一定的分量。但与大部分液体不同,这些液滴维持液体形态的方式并非分子之间的电磁力,而是一种名为“量子波动”的现象。

图为艺术家描绘的低温凝聚态钾原子形成量子液滴的情景
 
量子波动源于海森堡不确定性原理,即粒子的动量和位置并非一直固定,而是会在不同动量水平和位置之间来回变换。这些粒子在不同位置和能量级之间四处“跳跃”时,会对周边粒子造成一定压力。而将所有粒子产生的压力相加,彼此之间的吸引力就会强于排斥力,从而使粒子相互聚集、形成液滴。
 
这种新型液滴的独特之处就在于,量子波动是使其维持液体状态的主要原因。液氦等其它“量子液体”也存在量子波动效应,但同时还存在其它作用力,因此粒子间联结得更为紧密。
 
但钾原子凝聚态液滴并未受其它作用力主导,粒子间的相互作用十分微弱,因此扩散能力更强。与数量相似的液氦液滴相比,该液体的体积要多出两个数量级,稀释程度更是高出8个数量级。这在实验人员看来相当惊人。他们认为,相较于液氦而言,钾原子形成的液滴是一种更优良的量子液体,更适合应用于未来的实验当中。
 
不过,这种量子液滴也存在一定局限。如果所含原子太少,整个结构就会崩解蒸发,融入周围环境之中。


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