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超固体

/supersolid/
条目作者戴希

戴希

最后更新 2022-12-23
浏览 147
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具有超流特性物态的固体。

英文名称
supersolid
所属学科
物理学

对物态的理解和分类,是物理学中最重要的课题之一。按照传统的物态分类,物质首先分为固、液、气三种常规状态。在超高温和超高压下有等离子态。在极低温下,氦-3和氦-4体系中又有超流态。从氦-4液体出发,到固态和超流态的转变都可以看作是不同方式的对称性破缺导致的。其中氦-4液态的对称性最高,具有空间任意平移、旋转对称,以及粒子数守恒所对应的规范对称。氦-4固态则破缺了空间任意平移,只具有分立平移对称。氦-4超流态则破缺了规范对称从而导致粒子数不守恒。从对长程有序分类的角度看,固态和超流态分别属于典型的对角和非对角长程序。在自然界中,是否可能存在同时具有对角和非对角长程序的状态,或固态是否也能具有超流特性,在理论上这种可能性当然是存在的。

超固体存在的可能性,只在量子力学效应足够明显时才会存在,也就是说它是量子力学微观粒子全同性的后果之一。由于量子力学效应的大小,是由组成原子的质量来决定的,质量越小则量子效应越大,所以超固体态只有在氢、氦等原子量低的体系中才能存在。又由于氢原子是非满壳层,在低温下形成分子晶体,不利于超固体态的形成,因此在天然物质中最有可能出现超固体态的是氦的体系。由于超固体态的存在对凝聚态物理和低温物理的重要意义,有关超固体的实验和理论研究一直是备受瞩目的领域。20世纪80年代美国加州大学圣迭戈分校的J.古坎德[注]首先在低温氦-4的超声波实验中看到一些反常信号,并提出这可能是超固体存在的证据。受到这个实验的鼓舞,2004年美国宾夕法尼亚州立大学的张莫森[注]金殷相[注]等在超低温下测到了氦-4固体态的转动惯量反常,似乎暗示有部分氦-4原子并未跟着整体一起转动,这是在固体中存在超流分量的证据之一。这个工作在当时引起了不小的轰动,也激发了对超固体的实验和理论研究。但氦-4固体中存在的超流分量,到底是其本征特征,还是由固体形成过程中产生的空位和晶界导致的,关于这一点学术界尚处于争论的状态,有待进一步更精细的实验予以澄清。

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