橡树岭国家实验室的科学家们正在寻找超级固体

橡树岭国家实验室的科学家们正在寻找超级固体

发布时间:2018-05-21    浏览量:7

橡树岭国家实验室的科学家正在寻找叫做超固体的物质的量子态。汉斯·劳特目前正在ORNLs层裂中子源进行研究,他观察到固体氦中的超流跃迁,并认为这可能导致超固体氦成为一种新的量子态。

在橡树岭国家实验室和其他研究中心进行的一系列中子散射实验正在探索一个被称为超固体的物质的量子态的关键问题:它是否存在?

我们实验的目标是找到这种新的超固体量子态。这对理论和实验都是一个挑战。“我们在固体氦中观察到的超流跃迁可能导致超固体氦作为一种新的量子态。“

是否有超固体这种东西不是一个容易在物理界以外引起轩然大波的问题。但是在凝聚态物理的世界里,发现一个新的量子态就像发现一个新的物种对于生物学家来说,或者发现一颗新星对于天文学家来说。

量子超晶格——比虚构的量子力学还陌生,它描述了物质在纳米级(原子/分子级)的行为方式,其中物质的“粒子”同时是波(至少在量子理论中是这样)。量子力学世界的观测对我们来说似乎是完全奇异的,因为我们所有的经验和直觉都反对它们:一个粒子/波可以同时移动而不是移动,它可以同时在一个以上的地方。

我们在日常大小的物体上看不到这些行为,因为量子态非常脆弱,很容易被物理学家称之为宏观世界的巨大力量压垮。事实上,在宏观层面上,只有两个由量子力学产生的“超级状态”被最终观察到:超导电性,其中电子配对并在没有阻力的情况下流经一种材料;超流性,其中液氦失去所有粘度,并且可以流经任何材料中的最细孔。到目前为止,这两种状态只能在很低的温度下观察到,在很低的温度下几乎没有能量来破坏它们。超固态将更加难以捉摸,只存在于氦- 4中,冷却到几乎不超过绝对零度( 0开尔文,原子失去所有能量的温度),并承受极端压力。

可以理解的是,很多人听到“超级实体”这个词时都认为它意味着非常困难的事情。实际上,它表示几乎相反的情况(“super”在这种情况下是指超越固体而不是更固体)。这是一个极其困难的概念。画一个少了几块的拼图。想象一下,空白的空间开始从拼图块之间的微小缝隙中流过,最终汇集在一起,像波浪一样渗透到整个画面。这就像物理学家对超固体的构想:材料中的原子具有空间顺序(即每个原子在空间中占据特定位置),但在某些条件下,结构中的空位开始毫无阻力地流过固体,就像超流体一样。

超固体氦的存在在理论上已经被预测过,但从未进行过决定性的观测。1969年,俄罗斯物理学家提出了固态物质的理论,在固态氦- 4晶体结构中的空位可以凝结成一个单一的实体,在原子中流动时没有阻力。佩恩州立大学的实验者声称,2004年在使用振荡器的实验中证实了超固体氦的存在,但其他人质疑他们实际上是观察到了超固体,还是仅仅观察到了限制在固体氦中的超流体。

最近发表在《物理评论快报》上的一篇文章用中子寻找超固体,为这场争论增加了重要的知识,尽管这并不能解决问题。由劳特领导的一个研究小组在法国劳特朗之万中子散射中心进行的实验中获得的数据表明,固态氦- 4样品中含有超流态,但不一定是超固态。

劳特说,在橡树岭国家实验室的散裂中子源上进行的一系列后续实验显示,固态氦中存在“与已知结构的偏差”,但这些研究的数据仍在分析中。他正在准备2012年初在SNS进行的另一组实验,以及计算计算,他希望能准确地确定在极端温度和压力下固体氦内部发生的情况。

Lauter说,SNS的冷中子斩波谱仪是测量超流效应表现出的动量和能量范围的最佳仪器。并且SNS具有示例环境功能以使实验可行。“超流效应出现在约100 mK的温度以下且在25至60巴的压力范围内。为了在相同的范围内寻找这些效应,需要一个特殊的样品池和稀释冰箱。独一无二的样品池必须由满足热传导和耐压能力的严格要求并且产生很少背景散射的合金设计和制造。稀释致冷器必须适于中子散射和温度的不寻常的逐步升高和降低。

Lauters团队的ILL实验研究了在高度多孔气凝胶基质中冷凝的3×5厘米固体氦- 4粉末样品。先前的实验表明,超固体效应仅出现在受到扰动(即偏离其理想结构)的晶体中。气凝胶基质产生大量位错,这些位错充当缺陷的成核位点。

Lauter解释说,问题是样品中是否会出现超固态,而不仅仅是固态氦中的超流成分。“后者是一种共存,就像冰和水一样。在这种情况下,它是一种准二维状态的液体与围绕它的三维固体氦共存。“

Lauter说,散射结果表明,固体氦的模式和液体弥散曲线与加压下液氦的模式特征有些不同。“所以我们有这两种迹象——固体和液体的迹象。但我们没有任何迹象表明这是一个超级实体。液体的色散曲线揭示了能量激发(称为“旋转运动”),类似于在超流体氦中看到的,但显示不同的参数。因此,它们必须起源于固体氦中准二维超流氦的发展。

SNS的实验是在没有限制的情况下用固体氦- 4进行的。这将有助于确定从微观(原子级)向超流转变的起源,研究人员希望,这将显示出从固体到超固体的转变。劳特指出,与振荡器实验不同,中子散射可以显示实际的原子相互作用。

实验既费力又费时。氦晶体必须在精密的样品环境中在略高于0k (约- 459 F或- 273 C )的温度和多次大气压下生长。

Lauter说,在所需状态下生长晶体需要一半的实验时间。他指出,一位使用中子的研究人员从未真正看到固体氦样品,因为它只能存在于特殊的样品环境中。超固体的原子级起源只能通过实验手段间接观察。

Lauter说,需要进行许多实验来确定中子散射是提供超固体量子态的证据,还是仅仅提供固体内部的超流体层,但每年只能进行大约一次。“只是创建示例是一项工作。做这个实验有很多困难,但挑战使它有趣。"

资料来源:黛博拉库恩斯,橡树岭国家实验室

图片:橡树岭国家实验室

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