氣體分子接近絕對零度時的奇妙變化

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  麻省理工學院的科學家對鈉鉀氣體的分子(示意圖)進行了冷卻,使其溫度降到只有500納開氏度,此時分子速度變得十分緩慢,每秒只移動數厘米,從而使科學家很容易進行研究

  在電場中,超低溫的分子具有很強的相互作用。電場使分子極化,導致偶極矩的產生(圖中箭頭所示)。麻省理工學院的科學家發現,他們生成的超低溫分子具有很強的偶極性,但表現得很穩定,不活躍。

麻省理工學院的科學家團隊

  新浪科技訊 北京時間6月29日消息,據國外媒體報道,近日,美國麻省理工學院的科學家將氣體分子冷卻到了非常接近絕對零度的低溫,發現了一些十分奇特的現象。他們利用激光對鈉鉀(NaK)氣體進行冷卻,使其溫度降到了只有500納開氏度(nanokelvin,1納開氏度等于1開氏度的10億分之一)。

  這一溫度已經非常接近絕對零度,后者是指物體分子停止運動時的理論溫度,也是開爾文溫度標定義的零點,約等于攝氏溫標零下273.15攝氏度,即0開氏度。物體的熱能是由粒子的振動所引起,當粒子停止振動時,物體的熱能就不會存在。麻省理工學院的這項新研究顯示,當分子達到極其接近絕對零度的低溫時,它們可能會開始形成非同尋常的物質形態。

  研究者發現,此時氣體分子變得很穩定,而且會抵抗與其他分子的碰撞,盡管它們都具有很強的、互相吸引的電荷作用力。麻省理工學院電子設備研究實驗室的首席研究員馬丁·茨維萊茵(Martin Zwierlein)領導了這項研究,他說:“我們非常接近絕對零度,在絕對零度條件下,量子力學將在分子運動中扮演重要角色。因此,這些分子不再像彈子球一樣亂跑,而是像量子力學里的物質波一樣運動。”

  “利用超低溫的分子,你可以獲得各種各樣不同的物質形態,如超流體晶體,它是結晶性的,你感覺不到摩擦,這太奇特了。這種現象還沒有被觀察到,但已經有了預言。或許不久以后就能看到這些效果,我們都很興奮。”

  有關這一研究的內容發表在近期的《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。研究者采用的是激光和蒸發冷卻方法,對鈉原子和鉀原子進行冷卻,然后用磁場促使這些原子結合在一起。

  之后,科學家將鈉鉀分子暴露在兩束激光下,其中一束激光的頻率剛好與分子振動狀態吻合,另一束的振動頻率則盡可能調低。利用這種超冷卻方法,研究者降低了7500開氏度。與其他嘗試冷卻氣體原子的實驗相比,該研究中超低溫分子的壽命相對較長,約為2.5秒。

  茨維萊茵教授說:“這種實驗中的分子具有化學活性,完全沒有時間對大批量樣品進行研究。它們會在冷卻到足夠出現有趣狀態之前就衰變。在我們的實驗中,我們希望分子的壽命足夠長,從而能看到物質的新奇狀態。”

  然而,他們的實驗并不是人類實驗中所能達到的最低溫度。2003年,麻省理工學院和美國航空航天局的科學家成功地將鈉氣體冷卻到了只有500皮開氏度(picokelvin),即0.5納開氏度。(任天)

來源:新浪科技



中科院物理所 2015-08-23 08:56:41

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