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超流

作者 :本站编辑更新时间:2012-11-9

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[编辑本段]【超流现象:superfluidity】
  自从昂尼斯实现氦的液化后,对物质在低温下的物理性质的研究逐步深入,人们相继发现了低温下的超导电性和超流现象。
  30年代,实验发现,当液氦(指4He)的温度降到2.17K时,液氦从原来的正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”,这就是超流现象。在2.17K以下,超流的液氦具有以下性质:
  首先,液氦能沿极细的毛细管(管径约0.1微米)流体而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到,称为超流性。
  其次,如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中,让圆盘作扭转振动,则盘的运动将受到阻尼。
  第三,当液氦由容器A中通过多孔塞(或极细的毛细管)流出时,A内的液氦的温度升高(如右图所示)。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应,即:当升高A内的温度时,其中液氦的液面将上升,若A本身是一毛细管,则将观察到液氦从上口喷出,故也称喷泉效应。
  另外,液氦还具有极好的导热性,热导率为室温下铜的800倍。
  以上这些性质都表现为宏观现象,事实上却是超流液氦的量子效应。不同于宏观物体,微观粒子除了坐标空间的动量外,还有一种“内部”角动量——自旋。粗略地说,可以把它看成一个转动的小陀螺,有一个小磁矩。具有半整数自旋的粒子称为费米子,如电子、中子、质子,它们的自旋为1/2。具有整数自旋的粒子叫玻色子,如光子,p-介子,它们的自旋为1。对于费米子,由于泡利不相容原理的缘故,每个状态只允许填一个粒子。而对于玻色子,粒子在各状态上的填充数不受限制。温度降到一个特定值后,越来越多的玻色子处于能量最低的,也就是动量为零的状态。这个现象叫做玻色—爱因斯坦凝聚。这里所说的凝聚不是通常说的那种气体变液体的凝聚,而是“动量凝聚”。也就是说,许多分子都转到动量为零的状态,这就使得它们在坐标空间中还是在容器中的液体,而此时液体的流动性发生了突变。液氦(4He)是玻色子,在2.17K以下的超流转变就是这种“凝聚”。
  超流是一种宏观范围内的量子效应。由于玻色—爱因斯坦凝聚,氦原子形成一个“抱团很紧”的集体。超流正是这种“抱团”现象的具体表现。
[编辑本段]【自旋三重态超流】
  科学家首次在长程铁磁体中发现自旋三重态超流。美国布朗大学和亚拉巴马大学的这个发现突破了长期以来人们对量子物理的认识,并且可能给新兴的自旋电子学带来益处。这项研究发表在Nature杂志上。
  电流在不受电阻阻碍时,就会发生超导现象。超导在粒子加速器、磁共振成像和磁悬浮列车等方面有着广泛的应用。根据量子物理理论,传统的超导现象一般不会在铁磁体中发生。当电子通过铁磁晶体材料时,磁畴会重新排布,所以不会发生无电阻的超导现象。尽管曾经观察到铁磁体中的超流,但那只是因为电子在非常短的距离内没有感受到电阻。
  最近,荷兰代夫特技术大学、美国布朗大学和亚拉巴马大学组成的研究小组发现:一种奇特的铁磁体中产生了自旋三重态超流。他们的实验装置在磁体中制备出电子自旋三重态,除了一般标准的自旋朝上和自旋朝下两种状态之外,他们还观察到一种中间态。我们可以用行星的自转想象一下,它们的旋转方式有两种:北极朝上或朝下。但是现在观测到的第三种态相当于是行星绕着北极转动了90度的轴旋转。尽管理论中已经预言了铁磁体中可能存在这种自旋三重态,但是这是首次在实验中观察到这种现象。
  另外,研究小组还指出,这种超流可以流过一段相对较长的距离。以前的实验中,夹在超导体之间的铁磁体只允许一纳米厚,现在能够达到300纳米。
  布朗大学教授肖刚(音译)和他的学生以及亚拉巴马大学的同事花了八年时间来完善他们的铁磁体。他们制出的铁磁体呈黑色,只有邮票大小,厚度只有一个原子那么厚。为了制造这种铁磁体,他们把铬的氧化物加热成蒸汽,然后把蒸汽镀到钛的氧化物膜上,从而在钛层上形成一层单晶层。然后,这种磁体被送到荷兰代夫特技术大学,在那里,研究人员们在铁磁体表面放上很多微小的超导电极,在用电子束切割电极,形成300纳米宽的间隙,最后就可以检验它的电流性质了。
  肖刚希望这种新型的铁磁体可以推进目前非常热门的自旋电子学的发展。传统的电子学通过电子电荷传导电流,而自旋电子学则是传导电荷和自旋信息,它们可以制造更小、更快、更廉价的计算机存储器和处理器。自旋电子学在计算机硬盘上已经有应用了。目前,随机存储器和自旋晶体管也正在开发之中。 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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