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科学家模拟强相互作用造出互斥云

发布时间:2011年04月18日 10:52 | 进入复兴论坛 | 来源:人民网

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  通常情况下,当一朵云遇上另一朵云,它们会互相弥散彼此透过。但据《每日科学》网站4月14日报道,美国麻省理工学院物理学家造出了一种奇怪的超冷气云,即使将其密度降低到只有空气的百万分之一,它们在相遇时也能像两个保龄球一样彼此弹开。这是科学家首次观察到气体之间无法互相透过的现象。该发现有助于解释中子星、高温超导体、宇宙大爆炸后瞬间产生的夸克胶子汤等类似系统的性质。相关论文发表在4月14日《自然》杂志上。

  该研究由麻省理工学院副教授马丁 茨威尔雷恩领导,他们在麻省理工―哈佛超冷原子中心开展了一个项目,利用超冷原子作为易于控制系统模型来研究复杂材料,如高温超导材料、存储数据的高能效新型磁性材料等,本研究是该项目的一部分。

  自旋为半整数的粒子如电子、质子、中子、夸克都是费米子,是所有物质的基本组成。但不同的费米子物质态由它们的运动情况来划分,如电子在金属中能运动,在绝缘体中不能运动,在超导体中零阻力运动。然而包括高温超导体在内的很多材料具有特殊的费米子态,造成这种现象的个中原因却不为人知。人们只知道,费米子相互作用强的材料,彼此碰撞(称为散射)的可能性更大。

  此次研究人员在实验室里造出的云是一种冷却到接近绝对零度的锂原子气体,用来代替电子,锂同位素也是一种费米子,用来模拟强相互作用系统模型。研究人员用磁场调整锂原子的能量态,让原子之间产生自然状态的强度相互作用,即每次它们相互遭遇,就会散射开。

  气体被冷却到500亿分之一开氏度以消除热能影响,再用磁力将气体分开成两部分,分别标记为“上旋”和“下旋”,然后让两部分气体在激光势阱中相撞。研究人员发现,它们不但不像通常那样互相弥散透过,而是戏剧性地互相推开。

  “看到这种极为稀薄的气云彼此弹开,我们非常震惊。”论文主要作者、研究生阿瑞尔 萨马说,气云最终还是会弥散融合,但要花很长时间,有几次甚至用了一秒甚至更长,这对微观事件来说是极其漫长的。

  研究人员表示,今后打算将锂原子气体限制在二维以模拟二维状态,此时电子以高温超导的形式存在。还可以模拟其他的强相互作用系统,比如高密度中子星,直径只有几十公里,但质量比我们的太阳还要大;或者夸克―胶子等离子体,其相互作用也类似原子在超冷锂气云中的作用,这种物质在宇宙刚形成时存在,在原子核对撞达到万亿度高温的条件下也能再次产生。(常丽君)