費米子凝聚態(tài)，是物質(zhì)存在的第六態(tài)。根據(jù)“費米子凝聚態(tài)”研究小組負(fù)責(zé)人德博拉·金的介紹，“費米子凝聚態(tài)”與“玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)”都是物質(zhì)在量子狀態(tài)下的形態(tài)，但處于“費米子凝聚態(tài)”的物質(zhì)不是超導(dǎo)體。
人類生存的世界，是一個物質(zhì)的世界。然而，這個世界還有許多人們?nèi)庋劭床坏降奈镔|(zhì)。過去，人們只知道物質(zhì)有三態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。20世紀(jì)中期，科學(xué)家確認(rèn)物質(zhì)第四態(tài)，即“等離子體態(tài)”。1995年，美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國科羅拉多大學(xué)的科學(xué)家組成的聯(lián)合研究小組，首次創(chuàng)造出物質(zhì)的第五態(tài)，即“玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)”。去年，這個聯(lián)合研究小組又宣布，他們創(chuàng)造出物質(zhì)的第六種形態(tài)，即“費米子凝聚態(tài)”。
費米子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖 人們通常所見的物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)成的。處于氣態(tài)的物質(zhì)，其分子與分子之間距離較大。而對液態(tài)物質(zhì)來說，構(gòu)成它們的分子彼此靠得很近；分子一個挨著一個，它的密度要比氣態(tài)的大得多。至于固態(tài)物質(zhì)，它們的原子一個挨著一個，并相互牽拉，這就是固體比液體硬的原因。而被激發(fā)的電離氣體電離到一定程度后，便處于導(dǎo)電狀態(tài)，這種狀態(tài)的電離氣體表現(xiàn)出集體行為，即電離氣體中每一帶電粒子的運動，都會影響其周圍帶電粒子，同時也受其他帶電粒子的約束。因為電離氣體內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)相等，所以電離氣體整體表現(xiàn)出電中性，這種氣體狀態(tài)被稱為等離子體態(tài)。由于它的獨特行為與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)都截然不同，故稱為物質(zhì)第四態(tài)。 所謂“玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)”，是科學(xué)巨匠愛因斯坦在70 年前預(yù)言的一種新物態(tài)。為了揭示這個有趣的物理現(xiàn)象，世界科學(xué)家為此付出了幾十年的努力。 1995年，美國科學(xué)家維曼、康奈爾和德國科學(xué)家克特勒首先從實驗上證實了這個新物態(tài)的存在。為此，2001年度諾貝爾物理學(xué)獎授予了這3位科學(xué)家，以表彰他們在實現(xiàn)“玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)”研究中作出的突出責(zé)獻(xiàn)。 “玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)” 是物質(zhì)的一種奇特的狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像單個粒子一樣。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚” 到同一狀態(tài)，要達(dá)到該狀態(tài)，一方面需要物質(zhì)達(dá)到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態(tài)。華裔物理學(xué)家朱棣文，曾因研究出激光冷卻和磁阱技術(shù)這一有效的制冷方法，而與另兩位科學(xué)家分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎?！安Ｉ粣垡蛩固鼓蹜B(tài)”所具有的奇特性質(zhì)，不僅對基礎(chǔ)研究有重要意義，在芯片技術(shù)、精密測量和納米技術(shù)等領(lǐng)域，也都有很好的應(yīng)用前景。何為“費米子凝聚態(tài)” 量子力學(xué)認(rèn)為，粒子按其在高密度或低溫度時集體行為可以分成兩大類：一類是費米子，得名于意大利物理學(xué)家費米；另一類是玻色子，得名于印度物理學(xué)家玻色。這兩類粒子特性的區(qū)別，在極低溫時表現(xiàn)得最為明顯：玻色子全部聚集在同一量子態(tài)上，費米子則與之相反，更像是“個人主義者”，各自占據(jù)著不同的量子態(tài)?！?a data-lemma-id='6277221' target='_blank' >玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)”物質(zhì)由玻色子構(gòu)成，其行為像一個大超級原子，而“費米子凝聚態(tài)”物質(zhì)采用的是費米子。當(dāng)物質(zhì)冷卻時，費米子逐漸占據(jù)最低能態(tài)，但它們處在不同的能態(tài)上，就像人群涌向一段狹窄的樓梯，這種狀態(tài)稱作“費米子凝聚態(tài)”。 “費米子凝聚態(tài)”是如何創(chuàng)造出來的？ 科學(xué)家們在1995年已成功地通過將具有玻色子特征的原子氣體冷卻至低溫，獲得所謂的 “玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)”。由于沒有任何2個費米子能擁有相同的量子態(tài)，費米子的凝聚一直被認(rèn)為不可能實現(xiàn)。去年，物理學(xué)家找到了一個克服以上障礙的方法，他們將費米子成對轉(zhuǎn)變成玻色子。這一研究為創(chuàng)造“費米子凝聚態(tài)”鋪平了道路?！ 〉虏├そ痤I(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組，將具有費米子特征的鉀原子氣體冷卻到絕對零度以上的十億分之一度，此時鉀原子停止運動。絕對零度相當(dāng)于一273．15℃。試驗中，科學(xué)家用激光方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到費米子凝聚所要求的溫度。為此，還要把原子放到“磁杯”中進(jìn)行蒸發(fā)冷卻。他們將氣體約束在真空小室中，并采用磁場和激光使鉀原子配對，成功地創(chuàng)造出“費米子凝聚態(tài)”。費米子與超導(dǎo)體有哪些不同？ 首先，費米冷凝體所使用的原子比電子重得多，其次是原子對之間吸引力比超導(dǎo)體中電子對的吸引力強(qiáng)得多，在同等密度下，如果使超導(dǎo)體電子對的吸引力達(dá)到費米體中原子對的程度，制造出常溫下的超導(dǎo)體立即可以實現(xiàn)。超冷氣體中形成費米體為研究超導(dǎo)的機(jī)理提供了一個嶄新的物質(zhì)工具。當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)并不能使所有費米子都可以發(fā)生費米冷凝，而且所獲得的冷凝體還相當(dāng)脆弱——比玻璃還要脆！但這只是技術(shù)問題。第六態(tài)催生下一代超導(dǎo)體 這項成果在超導(dǎo)技術(shù)上的應(yīng)用前景非常廣闊，有助于下一代超導(dǎo)體的誕生，而新一代超導(dǎo)體技術(shù)可在電力工程、電能輸送、電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的制造、磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)計算機(jī)、超導(dǎo)電子器件、地球物理勘探、地質(zhì)學(xué)、生物磁學(xué)、高能加速器與高能物理研究等眾多領(lǐng)域和學(xué)科中大顯身手。
