超固态

超固态

物質存在的新狀态
當物質處于在140萬大氣壓下,物質的原子就可能被"壓碎"。電子全部被"擠出"原子,形成電子氣體,裸露的原子核緊密地排列,物質密度極大,這就是超固态。一塊乒乓球大小的超固态物質,其質量大于等于1000噸。該狀态下的物質為一種晶體固态,但能像滑潤的、無粘性的液體那樣流動。物質的第五态即超固态,又稱超密态。[1]
    中文名:超固态 外文名:supersolid 适用領域: 所屬學科: 發現者:美國科學家 特點:密度很大 條件:氣壓大

簡介

超固态是物質在空間内整齊的,緊密排列的具有超流體性質的一種物質。一塊乒乓球大小的超固态物質,其質量至少在1000噸以上。在通常狀況下,鐵的密度是每立方厘米7.9克,為普通岩石密度的的兩倍多。鉑的密度是每立方厘米21.5克,約為鐵的密度的2.8倍,其密度在地球上可謂大矣。然而,在宇宙中有些天體的密度卻大得驚人。n在低溫時,電子氣是簡并的。對于理想的簡并電子氣,在零溫時,電子所具有的最高動量(稱為費密動量pF)為,式中為,h為普朗克常數,n為電子數密度。可見,即使在零溫時,電子仍然具有相當高的動量,可以産生相當高的壓力。

性質

物質存在的一種形态,這種形态下的固體物質,由于壓力和溫度增加到一定程度,原子核和電子緊緊擠在一起,原子内部不再有空隙。白矮星内部和地球中心區域都有超固态物質。

研究曆史

科學家曾于2004年首次報告了超固态(或稱超固體)的存在,處于這種狀态下的固體能夠進行毫無摩擦力的流動,但同時也有專家質疑當時的研究人員對于實驗結果的解讀是錯誤的。n2004年,韓國科學和技術先進研究所的金恩盛(音譯)和美國賓夕法尼亞州立大學的摩西·陳在《自然》雜志上報告稱,他們對冷卻後的液态氦施壓直至原子被迫進入晶格中,然後讓一個填滿了這種固體氦的滾筒先朝一個方向旋轉,再朝反方向旋轉,如此反複。當該滾筒被冷卻時,會更加頻繁地轉換旋轉方向。他們推測,這是因為有些氦變成了無摩擦力的超固态,減少了同滾筒一起旋轉的氦的質量,使滾筒能更快地改變方向。n但美國康乃爾大學的約翰雷普對此解釋提出了質疑。雷普認為,滾筒能在更低溫度下更快地轉換方向是因為氦已經變成了不穩定的“量子塑料”――一種科學家以前并不知曉、有别于超固态的物質相位。他表示,是“量子塑料”增加的彈性讓滾筒更容易改變其旋轉方向。n為了驗證雷普的說法是否正确,金恩盛将滾筒放置在一個更大的裝置中,并讓這種裝置僅朝一個方向旋轉,而其内部的滾筒則跟之前實驗一樣,先朝一個方向旋轉,再朝反方向旋轉。他認為,彈性應該隻能影響滾筒改變其旋轉方向的頻率,如果固态氦是量子塑料,那麼,外部添加一個大的裝置并不會改變結果。n然而,金恩盛的研究團隊發現,實驗結果出現了變化,随着溫度下降,滾筒旋轉方向改變的頻率并沒有加快。他表示,最好的解釋就是氦變成了超固體,因為在一個超固體中,持續的旋轉應該導緻渦系形成(如同液體中出現的一樣),從而幹擾物質的量子屬性,并且減少超固态物質。2016年1月,英國愛丁堡大學科學家利用鑽石對頂砧制造出某種極端高壓狀态,從而生成“第五狀态氫”,即超固态氫。

存在部位

有研究認為,在白矮星裡面,壓力和溫度高,這種狀态下,不但原子之間的空隙消失,原子外圍的電子層也被壓碎了,所有的原子核和電子都緊緊地擠在一起,不再有什麼空隙。這樣的物質被稱做超固态物質。

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