凝聚態(tài)反應(yīng)是什么 凝聚態(tài)研究的領(lǐng)域

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本文導(dǎo)航

• 凝聚態(tài)物理學(xué)是什么意思
• 凝聚態(tài)最新理論
• 凝聚態(tài)說明什么
• 凝聚態(tài)研究的領(lǐng)域
• 凝集和凝聚
• 凝聚態(tài)物理的基本范式

凝聚態(tài)物理學(xué)是什么意思

凝聚態(tài)

凝聚態(tài)，指的是由大量粒子組成，并且粒子間有很強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)。自然界中存在著各種各樣的凝聚態(tài)物質(zhì)。固態(tài)和液態(tài)是最常見的凝聚態(tài)。低溫下的超流態(tài)，超導(dǎo)態(tài)，玻色- 愛因斯坦凝聚態(tài)，磁介質(zhì)中的鐵磁態(tài)，反鐵磁態(tài)等，也都是凝聚態(tài)。

凝聚態(tài)最新理論

如果物質(zhì)不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如說，接近絕對(duì)零度(-273.16℃)吧，在這樣的極低溫下，物質(zhì)又會(huì)出現(xiàn)什么奇異的狀態(tài)呢？

這時(shí)，奇跡出現(xiàn)了——所有的原子似乎都變成了同一個(gè)原子，再也分不出你我他了！這就是物質(zhì)第五態(tài)——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(以下簡(jiǎn)稱“玻愛凝聚態(tài)”)。

這個(gè)新的第五態(tài)的發(fā)現(xiàn)還得從1924年說起，那一年，年輕的印度物理學(xué)家玻色寄給愛因斯坦一篇論文，提出了一種關(guān)于原子的新的理論，在傳統(tǒng)理論中，人們假定一個(gè)體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的，我們可以給一個(gè)原子取名張三，另一個(gè)取名李四……，并且不會(huì)將張三認(rèn)成李四，也不會(huì)將李四認(rèn)成張三。然而玻色卻挑戰(zhàn)了上面的假定，認(rèn)為在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個(gè)同類原子(如兩個(gè)氧原子)有什么不同。

玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視，他將玻色的理論用于原子氣體中，進(jìn)而推測(cè)，在正常溫度下，原子可以處于任何一個(gè)能級(jí)(能級(jí)是指原子的能量像臺(tái)階一樣從低到高排列)，但在非常低的溫度下，大部分原子會(huì)突然跌落到最低的能級(jí)上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個(gè)大超級(jí)原子。打個(gè)比方，練兵場(chǎng)上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，于是他們迅速集合起來，像一個(gè)士兵一樣整齊地向前走去。后來物理界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。這就是嶄新的玻愛凝聚態(tài)。

然而，實(shí)現(xiàn)玻愛凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達(dá)到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態(tài)。極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢？這實(shí)在令無數(shù)科學(xué)家頭疼不已。

后來物理學(xué)家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個(gè)很好的特性：不會(huì)因制冷出現(xiàn)液態(tài)，更不會(huì)高度聚集形成常規(guī)的固體。實(shí)驗(yàn)對(duì)象找到了，下一步就是創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由于激光冷卻技術(shù)的發(fā)展，人們可以制造出與絕對(duì)零度僅僅相差十億分之一度的低溫。并且利用電磁操縱的磁阱技術(shù)可以對(duì)任意金屬物體實(shí)行無觸移動(dòng)。這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過不斷改進(jìn)，終于在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月，兩名美國(guó)科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國(guó)科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測(cè)到了玻愛凝聚態(tài)。這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，這個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展，目前世界上己有近30個(gè)研究組在稀薄原子氣中實(shí)現(xiàn)了玻愛凝聚態(tài)。

玻愛凝聚態(tài)有很多奇特的性質(zhì)，請(qǐng)看以下幾個(gè)方面：

這些原子組成的集體步調(diào)非常一致，因此內(nèi)部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細(xì)小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導(dǎo)和超流也都是玻愛凝聚的結(jié)果。

玻愛凝聚態(tài)的凝聚效應(yīng)可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對(duì)波，這種波帶電，傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓。

原子凝聚體中的原子幾乎不動(dòng)，可以用來設(shè)計(jì)精確度更高的原子鐘，以應(yīng)用于太空航行和精確定位等。

玻愛凝聚態(tài)的原子物質(zhì)表現(xiàn)出了光子一樣的特性正是利用這種特性，前年哈佛大學(xué)的兩個(gè)研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲(chǔ)存了起來。

玻愛凝聚態(tài)的研究也可以延伸到其他領(lǐng)域，例如，利用磁場(chǎng)調(diào)控原子之間的相互作用，可以在物質(zhì)第五態(tài)中產(chǎn)生類似于超新星爆發(fā)的現(xiàn)象，甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞。

隨著對(duì)玻愛凝聚態(tài)研究的深入，又一次徹底的技術(shù)革命的號(hào)角已經(jīng)吹響

凝聚態(tài)說明什么

所謂“凝聚態(tài)”，指的是由大量粒子組成，并且粒子間有很強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)。自然界中存在著各種各樣的凝聚態(tài)物質(zhì)。固態(tài)和液態(tài)是最常見的凝聚態(tài)。低溫下的超流態(tài)，超導(dǎo)態(tài)，玻色-

愛因斯坦凝聚態(tài)，磁介質(zhì)中的鐵磁態(tài)，反鐵磁態(tài)等，也都是凝聚態(tài)。

凝聚態(tài)研究的領(lǐng)域

凝聚態(tài)

凝聚態(tài)，指的是由大量粒子組成，并且粒子間有很

強(qiáng)相互作用

的系統(tǒng)。自然界中存在著各種各樣的凝聚態(tài)物質(zhì)。固態(tài)和液態(tài)是最常見的凝聚態(tài)。低溫下的超流態(tài)，

超導(dǎo)態(tài)

，

玻色

-

愛因斯坦凝聚態(tài)，

磁介質(zhì)

中的

鐵磁

態(tài)，反鐵磁態(tài)等，也都是凝聚態(tài)。

凝集和凝聚

指的是由大量粒子組成，并且粒子間有很強(qiáng)的相互作用的系統(tǒng)。自然界中存在著各種各樣的凝聚態(tài)物質(zhì)。固態(tài)和液態(tài)是最常見的凝聚態(tài)。低溫下的超流態(tài)，超導(dǎo)態(tài)，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，磁介質(zhì)中的鐵磁態(tài)，反鐵磁態(tài)等，也都是凝聚態(tài)。

在凝聚相中伴生元素與待測(cè)元素發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而引起待測(cè)元素分析信號(hào)降低的現(xiàn)象。凝聚相干擾，是指當(dāng)霧化微滴揮發(fā)為氣態(tài)分子前所產(chǎn)生的干擾，它包括陽離子、陰離子和陰陽離子混合干擾。

相關(guān)信息：

固相以及液相是人們最為熟悉的凝聚相。除了這兩種相之外，凝聚相還包括一些特定的物質(zhì)在低溫條件下的超導(dǎo)相、晶體與自旋有關(guān)的鐵磁相及反鐵磁相、超低溫原子系統(tǒng)的玻色-愛因斯坦凝聚相等等。對(duì)于凝聚態(tài)的研究包括通過實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定物質(zhì)的各種性質(zhì)，以及利用理論方法發(fā)展數(shù)學(xué)模型以深入理解這些物質(zhì)的物理行為。

由于尚有大量的系統(tǒng)及現(xiàn)象亟待研究，凝聚態(tài)物理學(xué)成為了物理學(xué)最為活躍的領(lǐng)域之一。僅在美國(guó)，該領(lǐng)域的研究者就占到該國(guó)物理學(xué)者整體的近三分之一，凝聚態(tài)物理學(xué)部也是美國(guó)物理學(xué)會(huì)最大的部門。

此外，該領(lǐng)域還與化學(xué)，材料科學(xué)以及納米技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域交叉，并與原子物理學(xué)以及生物物理學(xué)等物理學(xué)分支緊密相關(guān)。該領(lǐng)域研究者在理論研究中所采用的一些概念與方法也適用于粒子物理學(xué)及核物理學(xué)等領(lǐng)域。

凝聚態(tài)物理的基本范式

凝聚態(tài)物理學(xué)是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，即通過研究構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子及分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律，從而認(rèn)識(shí)其物理性質(zhì)的學(xué)科。

一方面，它是固體物理學(xué)的向外延拓，使研究對(duì)象除固體物質(zhì)以外，還包括許多液態(tài)物質(zhì)，諸如液氦、熔鹽、液態(tài)金屬，以及液晶、乳膠與聚合物等，甚至某些特殊的氣態(tài)物質(zhì)，如經(jīng)玻色-愛因斯坦凝聚的玻色氣體和量子簡(jiǎn)并的費(fèi)米氣體。

另一方面，它也引入了新的概念體系，既有利于處理傳統(tǒng)固體物理遺留的許多疑難問題，也便于推廣應(yīng)用到一些比常規(guī)固體更加復(fù)雜的物質(zhì)。

起源發(fā)展：

凝聚態(tài)物理學(xué)起源于19世紀(jì)固體物理學(xué)和低溫物理學(xué)的發(fā)展。19世紀(jì)，人們對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)逐漸深入。1840年法國(guó)物理學(xué)家A·布拉維導(dǎo)出了三維晶體的所有14種排列方式，即布拉維點(diǎn)陣。

1912年，德國(guó)物理學(xué)家馮·勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體上的衍射，開創(chuàng)了固體物理學(xué)的新時(shí)代，從此，人們可以通過X射線的衍射條紋研究晶體的微觀結(jié)構(gòu)。

19世紀(jì)，英國(guó)著名物理學(xué)家法拉第在低溫下液化了大部分當(dāng)時(shí)已知的氣體。1908年，荷蘭物理學(xué)家H·昂內(nèi)斯將最后一種難以液化的氣體氦氣液化，創(chuàng)造了人造低溫的新紀(jì)錄－269 °C（4K），并且發(fā)現(xiàn)了金屬在低溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象。

超導(dǎo)具有廣闊的應(yīng)用前景，超導(dǎo)的理論和實(shí)驗(yàn)研究在20世紀(jì)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)展，臨界轉(zhuǎn)變溫度最高紀(jì)錄不斷刷新，超導(dǎo)研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理學(xué)中最熱門的領(lǐng)域之一。