超流現象

氦是人們知道的即使在絕對零度，壓力不夠也不能被凍結成固體的唯一天然物質，有這一性質的另一物質是經人工極化的氫氣。在極低温度下，液態氦的粘性會消失，它在任何東西上流動都沒有阻力，甚至可以垂直的爬上容器的壁，其傳熱係數比銅還好。科學家把這種沒有阻力的流動叫作超流。

超流現象於20世紀70年代被英國科學家安東尼·萊格特發現。

自卡末林·昂尼斯實現氦的液化後，對物質在低温下的物理性質的研究逐步深入，相繼發現了低温下的超導電性和超流現象。 30年代，實驗發現。

在2.17K（-270.42攝氏度）以下，超流的液氦具有以下性質：

首先，液氦能沿極細的毛細管（管徑約0.1微米）流體而幾乎不呈現任何粘滯性。這一現象最先由卡皮查於1937年觀察到，稱為超流性。

其次，如果用一細絲懸掛一薄盤浸於液氦中，讓圓盤作扭轉振動，則盤的運動將不會受到阻力。

第三，當液氦由容器A中通過多孔塞（或極細的毛細管）流出時，A內的液氦的温度升高。這一現象好如機械致熱效應。其逆過程稱為熱機械效應，即：當升高A內的温度時，其中液氦的液麪將上升，若A本身是一毛細管，則將觀察到液氦從上口噴出，故也稱噴泉效應。

另外，液氦還具有良好的導熱性，熱導率為室温下銅的800倍。

以上這些性質都表現為宏觀現象，事實上卻是超流液氦的量子效應。不同於宏觀物體，微觀粒子除了座標空間的動量外，還有一種“內部”角動量——自旋。粗略地説，可以把它看成一個轉動的小陀螺，有一個小磁矩。具有半整數自旋的粒子稱為費米子，如電子、中子、質子，它們的自旋為1/2。具有整數自旋的粒子叫玻色子，如光子，p-介子，它們的自旋為1。對於費米子，由於泡利不相容原理的緣故，每個狀態只允許填一個粒子。而對於玻色子，粒子在各狀態上的填充數不受限制。温度降到一個特定值後，越來越多的玻色子處於能量最低的，也就是動量為零的狀態。這個現象叫做玻色—愛因斯坦凝聚。這裏所説的凝聚不是通常説的那種氣體變液體的凝聚，而是“動量凝聚”。也就是説，許多分子都轉到動量為零的狀態，這就使得它們在座標空間中還是在容器中的液體，而此時液體的流動性發生了突變。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流轉變就是這種“凝聚”。

直到20世紀70年代末科學家才觀測到氦3的超流體現象，因為使氦3出現超流體現象的温度只有氦4的千分之一。 愛因斯坦預言，原子氣體冷卻到非常低的温度，所有原子會以最低能態凝聚，物質的這一狀態就被稱為玻色－愛因斯坦凝聚。玻愛凝聚態物質就是超導體和超流體，它實際是半量子態，在半量子態下，費米子象玻色子一樣可以在狹小空間內大量凝聚。外地核就是玻愛凝聚態的超流體物質，內地核則由中微子構成，都是高密度、大質量形態。

超流體是超低温下具有奇特性質的理想流體，即流體內部完全沒有粘滯。超流體原理的應用尚在研究之中。不過，這一領域已經曙光初現。2002年，德科學家實現銣原子氣體超流體態與絕緣態可逆轉換。世界科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。這一成果被中國兩院院士評為2002年世界十大科技進展之一。

在量子力學的世界中，經常能夠看到令人驚訝的新發現。例如，最近科學家們發現了一種新的超流，它具有非常奇特的性質，不能用其他的超流來解釋。這個發現是由美國華盛頓州西雅圖大學的Aurel Bulgac和Joaquin E. Drut與波蘭華沙技術大學的Piotr Magierski合作完成的，它為科學家們提供了一種新的同時具有費米子和玻色子性質的混合態超流。研究論文發表在3月10日的《Physical Review Letters》雜誌上。

Bulgac説：“通過簡單的改變温度，你就能把玻色子系統變成費米子系統。迄今為止，這個現象在其它任何系統中都不常見。”

使這種超流值得關注的原因是，它同時具有玻色子和費米子的性質。而物質一般要麼是玻色子，要麼是費米子，玻色子一般都是由費米子組成的。一旦粒子形成了，它們的性質就很難改變。

另一個值得關注的奇特現象是這種超流的熱力學性質與一般的普通超流不一樣。玻色子超流中顯示的是玻色子間的相互作用，費米子超流中則是費米子間的相互作用。但是在這種混合系統中，量子粒子之間的相互作用卻非常微弱。Bulgac説：“超流性質實際上是一種相互作用，這種相互作用很強，但是它不在熱力學性質中表現出來。我們知道這個新發現是超流，但是它的熱性質與其他超流不同。”

這種新的超流態的存在可能提供一種對物質更好的認識，尤其是當把它與高温超導體聯繫起來時。Bulgac解釋説：“儘管科學家們已經能夠製造出高温超導體，但是他們對高温超導體的認識並不完善。這種新的混合態超流有很多與高温超導體類似的特徵，我們希望這種超流更容易理解，然後就能把類似的想法類推到高温超導體上去。”

Bulgac和同事們認為這種新的超流態不僅能夠揭開超導體的秘密，而且對研究恆星和其他凝聚態系統也有幫助，另外對設計新材料也有參考價值。