物质的六种状态

超级大原子——物质第五态 物质第五态 超级大原子
• Bose-Einstein condensation (BEC) 玻 Bose色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦 爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦 (BEC) 80年前预言的一种新物态 这里的“凝聚” 年前预言的一种新物态。 在80年前预言的一种新物态。这里的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同， 与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状 态的原子突然“凝聚”到同一状态( 态的原子突然“凝聚”到同一状态(一般是基 即处于不同状态的原子“凝聚” 态)。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同 一种状态。形象地说，这就像让无数原子“ 一种状态。形象地说，这就像让无数原子“齐 声歌唱” 其行为就好像一个玻色子的放大， 声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大， 可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。 可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。 这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、 这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、 精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前 现在全世界已经有数十个室验室实现了8 景。现在全世界已经有数十个室验室实现了8 种元素的BEC 主要是碱金属， BEC。 种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子和 钙等。 钙等。
费米冷凝体与超导体的区别
• 费米冷凝体难以得到的矛盾的解决首先来自超导 现象的启发，但是，它跟超导体是有区别的。 现象的启发，但是，它跟超导体是有区别的。首 费米冷凝体所使用的原子比电子重得多， 先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其 次是原子对之间吸引力比超导体中库伯电子对的 吸引力强得多，在同等密度下， 吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体电 子对的吸引力达到费米体中原子对的程度， 子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造 出常温下的超导体立即可以实现。 出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形 成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物 质工具。当然， 质工具。当然，现在的技术并不能使所有费米子 都可以发生费米冷凝， 都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相 当脆弱——比玻璃还要脆！ 比玻璃还要脆！ 当脆弱 比玻璃还要脆
第六态催生下一代超导体
• 这项成果在超导技术上的应用前景非常 广阔，有助于下一代超导体的诞生， 广阔，有助于下一代超导体的诞生，而 新一代超导体技术可在电力工程、 新一代超导体技术可在电力工程、电能 输送、电动机与发电机的制造、 输送、电动机与发电机的制造、磁流体 发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、 发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、 超导电子器件、地球物理勘探、地质学、 超导电子器件、地球物理勘探、地质学、 生物磁学、 生物磁学、高能加速器与高能物理研究 等众多领域和学科中大显身手。 等众多领域和学科中大显身手。
陌生而又广泛存在的等离子态
• 早在2000多年前亚里士多德就发现世界的组成除了液固 早在2000多年前亚里士多德就发现世界的组成除了液固 2000 气三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物 气三态以外还包括火， 其实这就是物质的第四种状态——等离子体的一种表 质？其实这就是物质的第四种状态 等离子体的一种表 现形式。 现形式。 • 等离子体又叫做电浆， 等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原 子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质， 子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它 广泛存在于宇宙中。等离子体是一种很好的导电体，利用 广泛存在于宇宙中。等离子体是一种很好的导电体， 经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。 经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等 离子物理的发展为材料、能源、信息、环境空间， 离子物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物 地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。 理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。 • 常见等离子体：火焰、闪电、焊接电弧、绚烂壮丽极光等 常见等离子体：火焰、闪电、焊接电弧、 都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲， 都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎 99． 以上的物质都是以等离子体态存在的， 99．9％以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和 行星际空间等都是由等离子体组成的。 行星际空间等都是由等离子体组成的。
神奇第六态 ：费米子凝聚态
• 量子力学认为，粒子按其在高密度或低温度时集 量子力学认为， 体行为可以分成两大类：一类是费米子， 体行为可以分成两大类：一类是费米子，得名于 意大利物理学家费米；另一类是玻色子， 意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于 印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别， 印度物理学家玻色。这两类粒子特性的区别，在 极低温时表现得最为明显： 极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同 一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人 一量子态上，费米子则与之相反，更像是“ 主义者” 各自占据着不同的量子态。 主义者”，各自占据着不同的量子态。“玻色一 爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成， 爱因斯坦凝聚态”物质由玻色子构成，其行为像 一个大超级原子， 费米子凝聚态” 一个大超级原子，而“费米子凝聚态”物质采用 的是费米子。当物质冷却时， 的是费米子。当物质冷却时，费米子逐渐占据最 低能态，但它们处在不同的能态上，就像人群涌 低能态，但它们处在不同的能态上， 向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“ 向一段狭窄的楼梯，这种状态称作“费米子凝聚 态”。
• 这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻 这些原子组成的集体步调非常一致， 力。激光就是光子的玻爱凝 聚，在一束细小的激光里拥 挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。 挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都 是玻 爱凝聚的结果。 爱凝聚的结果。 • 玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏 观电子对波，这种波带电， 传播中形成一束宏观电流而 观电子对波，这种波带电， 无需电压。 无需电压。 • 原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高 原子凝聚体中的原子几乎不动， 的原子钟， 行和精确定位等。 的原子钟，以应用于太空航 行和精确定位等。 • 玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用 这种特性， 两个研究小组用玻色这种特性，前年哈佛大学的 两个研究小组用玻色-爱因斯 坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。 坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。 • 玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁 玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如， 场调控原子之间的相互作用 ，可以在物质第五态中产生 类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦 来模拟黑洞。 凝聚体 来模拟黑洞。
• 等离子体可分为两种：高温和低温等离子 等离子体可分为两种： 体。现在低温等离子体广泛运用于多种 生 产领域。例如：等离子电视， 产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表 面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。 面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要 的是在电脑芯片中的蚀刻运用， 的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时 代成为现实。 还可以被用于氧化、 代成为现实。 还可以被用于氧化、变性等 表面处理Hale Waihona Puke Baidu者在有机物和无机物上进行沉 淀涂层处理。 淀涂层处理。 高温等离子体研究应用对核 聚变的控制和和平应用具有重大意义。 聚变的控制和和平应用具有重大意义。空 间等离子体研究也是高温等离子体研究的 一个重要部分。宇宙中99% 99%以上的物质均 一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均 是等离子体， 是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨 大的等离子体， 大的等离子体，因此空间等离子体研究在 宇航时代具有极其重要的作用。 宇航时代具有极其重要的作用。
• 我们知道原子气体在低温时容易形成液体，利用 我们知道原子气体在低温时容易形成液体， 碱性原子铷87Rb 和钠23Na 23Na可以避免液体的形 碱性原子铷87Rb 和钠23Na可以避免液体的形 成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排 斥力，实验中原子的速度只有几个毫米/ 斥力，实验中原子的速度只有几个毫米/秒，这对 应的温度为100 nK（ =10的 次方K 应的温度为100 nK（1 nK =10的-9次方K）。 这极低的温度是用激光冷却的办法（1997年的 这极低的温度是用激光冷却的办法（1997年的 诺贝尔物理学奖成果）来达到的。 诺贝尔物理学奖成果）来达到的。其基本原理是 通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目 冷却后的原子由磁场与激光组成的磁的，冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁 阱囚禁， 阱囚禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法 达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。 达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚 禁阱的边缘部分，磁场很强， 禁阱的边缘部分，磁场很强，控制原子磁极的射 频场的频率很高， 频场的频率很高，通过逐渐的降低频率可以把温 度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。 度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。道 理就象茶在茶杯中变凉一样。 理就象茶在茶杯中变凉一样。
物质六态
• 常见而又稀少的液固气三态 • 陌生而又广泛存在的等离子态 • 物质第五态：超级大原子 物质第五态： • 神奇第六态 ：费米子凝聚态
常见而又稀少的液固气三态
• 石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物 石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发， 质的基本特性之一。 质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些 固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气， 固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气， 它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言， 它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这 些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更 对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中， 大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类 依然可以生活在未来水世界上， 依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石 构成的世界之中。 构成的世界之中。 物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了， 物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不 同温度下的状态， 同温度下的状态，由所谓的冰点和沸点决定各自产生转换 的温度。 的温度。 • 地球上司空见惯的物质三态 地球上司空见惯的物质三态——固态 、液态、气态，在 固态 液态、气态， 宇宙中却极为罕见，物质第四态——等离子态，才是宇宙 等离子态， 宇宙中却极为罕见，物质第四态 等离子态 中极多的状态。 中极多的状态。