超固態(tài)簡(jiǎn)介

物質(zhì)的第五態(tài)即超固態(tài)，又稱(chēng)超密態(tài)。當(dāng)物質(zhì)處于在140萬(wàn)大氣壓下，物質(zhì)的原子就可能被“壓碎”。電子全部被“擠出”原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質(zhì)密度極大，這就是超固態(tài)。超固態(tài)是物質(zhì)在空間內(nèi)整齊的，緊密排列的具有超流體性質(zhì)的一種物質(zhì)。

在低溫時(shí)，電子氣是簡(jiǎn)并的。對(duì)于理想的簡(jiǎn)并電子氣，在零溫時(shí)，電子所具有的最高動(dòng)量(稱(chēng)為費(fèi)密動(dòng)量pF)為：式中為，h為普朗克常數(shù)，n為電子數(shù)密度?？梢?jiàn)，即使在零溫時(shí)，電子仍然具有相當(dāng)高的動(dòng)量，可以產(chǎn)生相當(dāng)高的壓力。

美國(guó)科學(xué)家曾宣稱(chēng)他們可能發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)存在的新?tīng)顟B(tài)-超固態(tài)（或超固體）。如果他們的發(fā)現(xiàn)是正確的話(huà)，那么他們所見(jiàn)到的則是一種十分奇異的物質(zhì)狀態(tài)。該狀態(tài)下的物質(zhì)為一種固態(tài)晶體，但令人驚訝的是，它能像滑潤(rùn)的、無(wú)粘性的液體那樣流動(dòng)。

科學(xué)家曾于2004年首次報(bào)告了超固態(tài)（或稱(chēng)超固體）的存在，處于這種狀態(tài)下的固體能夠進(jìn)行毫無(wú)摩擦力的流動(dòng)，但同時(shí)也有專(zhuān)家質(zhì)疑當(dāng)時(shí)的研究人員對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀是錯(cuò)誤的。

2004年，韓國(guó)科學(xué)和技術(shù)先進(jìn)研究所的金恩盛（音譯）和美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的摩西·陳在《自然》雜志上報(bào)告稱(chēng)，他們對(duì)冷卻后的液態(tài)氦施壓直至原子被迫進(jìn)入晶格中，然后讓一個(gè)填滿(mǎn)了這種固體氦的滾筒先朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，再朝反方向旋轉(zhuǎn)，如此反復(fù)。當(dāng)該滾筒被冷卻時(shí)，會(huì)更加頻繁地轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向。他們推測(cè)，這是因?yàn)橛行┖ぷ兂闪藷o(wú)摩擦力的超固態(tài)，減少了同滾筒一起旋轉(zhuǎn)的氦的質(zhì)量，使?jié)L筒能更快地改變方向。

但美國(guó)康乃爾大學(xué)的約翰 雷普對(duì)此解釋提出了質(zhì)疑。雷普認(rèn)為，滾筒能在更低溫度下更快地轉(zhuǎn)換方向是因?yàn)楹ひ呀?jīng)變成了不穩(wěn)定的“量子塑料”――一種科學(xué)家以前并不知曉、有別于超固態(tài)的物質(zhì)相位。他表示，是“量子塑料”增加的彈性讓滾筒更容易改變其旋轉(zhuǎn)方向。

為了驗(yàn)證雷普的說(shuō)法是否正確，金恩盛將滾筒放置在一個(gè)更大的裝置中，并讓這種裝置僅朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而其內(nèi)部的滾筒則跟之前實(shí)驗(yàn)一樣，先朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，再朝反方向旋轉(zhuǎn)。他認(rèn)為，彈性應(yīng)該只能影響滾筒改變其旋轉(zhuǎn)方向的頻率，如果固態(tài)氦是量子塑料，那么，外部添加一個(gè)大的裝置并不會(huì)改變結(jié)果。

然而，金恩盛的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了變化，隨著溫度下降，滾筒旋轉(zhuǎn)方向改變的頻率并沒(méi)有加快。他表示，最好的解釋就是氦變成了超固體，因?yàn)樵谝粋€(gè)超固體中，持續(xù)的旋轉(zhuǎn)應(yīng)該導(dǎo)致渦系形成（如同液體中出現(xiàn)的一樣），從而干擾物質(zhì)的量子屬性，并且減少超固態(tài)物質(zhì)。

與此同時(shí)，西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的雅洛斯拉弗 路特斯希恩和同事在最近的研究中也發(fā)現(xiàn)了超固態(tài)存在的更進(jìn)一步證據(jù)。他們表示，超固體氦之所以流動(dòng)是因?yàn)樵诰Ц裰行纬闪硕?。該團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)了這些洞在不同壓力下形成的可能性，結(jié)果證明，洞形成的壓力同金恩盛實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)超固態(tài)氦出現(xiàn)比例最大時(shí)的壓力最匹配，這說(shuō)明金恩盛的實(shí)驗(yàn)的確提供了確鑿的證據(jù)（盡管并非全部證據(jù)）表明固體氦中包含超固體。

然而，雷普還是對(duì)此保持懷疑，他認(rèn)為，外部添加的裝置所補(bǔ)充的能量不會(huì)影響滾筒改變旋轉(zhuǎn)方向的頻率這一假設(shè)不對(duì)。他表示，研究人員看到的超固體信號(hào)正是“量子塑料”彈性的表現(xiàn)。

2016年1月，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)科學(xué)家利用鉆石對(duì)頂砧制造出某種極端高壓狀態(tài)，從而生成“第五狀態(tài)氫”，即超固態(tài)氫。

有研究認(rèn)為，在白矮星里面，壓力和溫度高，這種狀態(tài)下，不但原子之間的空隙消失，原子外圍的電子層也被壓碎了，所有的原子核和電子都緊緊地?cái)D在一起，不再有什么空隙。這樣的物質(zhì)被稱(chēng)做超固態(tài)物質(zhì)。 2100433B

物質(zhì)的一般情況下，物質(zhì)都有三態(tài)，如水的三態(tài)為冰、水、水蒸氣，分別

為固體，液體和氣體。當(dāng)然，物質(zhì)還有其他兩種存在的形態(tài)，叫做等離子態(tài)和超固態(tài)。處于等離子態(tài)的物質(zhì)叫做等離子體，處于超固態(tài)的物質(zhì)叫做超固體。

注：某些實(shí)驗(yàn)十分危險(xiǎn)，這里未寫(xiě)。

物態(tài)固態(tài)

可以通過(guò)將液態(tài)物體加壓或冷凍至凝點(diǎn)，也可以將超固態(tài)的物質(zhì)減壓生成。

物態(tài)液態(tài)

可以通過(guò)固態(tài)物質(zhì)加熱或減壓生成，也可以通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)冷凝或加壓生成。

物態(tài)氣態(tài)

可以將液態(tài)物質(zhì)蒸發(fā)。2100433B