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manbet手机版教授manbet手机版道格拉斯·d·奥舍洛夫manbet手机版，斯坦福大学，斯坦福，加州，美国，和

manbet手机版教授manbet手机版罗伯特·c·理查森manbet手机版，康奈尔大学，美国纽约州伊萨卡，

manbet手机版他们发现了氦-3中的超流体。

manbet手机版这些额外的背景材料简要介绍了这一发现及其重要性，主要是为物理学家编写的。

manbet手机版1.manbet手机版低温物理学的突破
manbet手机版David Lee、Douglas Osheroff和Robert Richardson在20世纪70年代初在康奈尔大学低温实验室的开创性工作，为我们目前对大块物质中量子效应的表现形式的看法做出了最有价值的贡献。manbet手机版在绝对零度以上约千分之二度的临界温度以下出现的各向异性超流体氦-3，被认为是一种特殊的玻色-爱因斯坦凝聚体，具有丰富的物理性质。manbet手机版对这种奇异的量子液体的研究导致了具有普遍重要性的概念，例如，可能对高温超导体的理论处理有用。manbet手机版最近，氦-3的相变被研究为宇宙学相变的动力学模型，这些相变被认为发生在大爆炸后的不到一秒(见《自然》杂志，1996年7月25日和《科学》杂志，1996年8月2日)。manbet手机版超流氦-3的临界点用于定义极接近绝对零度的温标。

manbet手机版2.manbet手机版这一发现
manbet手机版氦-3中的超流体首先表现为固体氦-3熔化曲线上的小异常，即在流体冷却时，在压力与时间的关系图上表现为小结构。manbet手机版人们总是倾向于认为小的偏差或多或少是设备无法解释的特性，但发现者们逐渐确信，确实存在这种影响。manbet手机版他们实际上并不是在寻找超流体，而是在寻找一种反铁磁相manbet手机版固体manbet手机版根据预测，氦-3出现在2 mK以下。因此，他们在1972年的第一份出版物中，很自然地将这种效应解释为对这种相变的观察。

manbet手机版这项协议并不完美，但通过进一步发展他们的技术和新的测量方法，他们可以在短短几个月后确定效果。manbet手机版它实际上包含了两个相变manbet手机版液体manbet手机版相，分别为2.7和1.8 mK。

manbet手机版这一发现成为低温物理学家一项激烈活动的起点。manbet手机版实验和理论的发展以一种不同寻常的富有成效的方式齐头并进。manbet手机版这一领域很快就被绘制出来了，但基本的发现仍在进行中。

manbet手机版3.manbet手机版粒子统计和超流体
manbet手机版在量子物理学中，气体中的原子是用波函数来描述的，波函数是所有原子坐标的函数，但它只规定了在给定时间内在给定区域找到一个粒子的概率。manbet手机版在量子体系(适用于高密度或低温)中，原子的不可区分性导致了戏剧性的量子效应。manbet手机版在自然界中有两种基本类型的粒子，费米子和玻色子。manbet手机版费米子具有半积分自旋，用两个粒子交换时反对称的波函数来描述，即当两个粒子交换位置时，波函数改变符号，它们遵循所谓的费米-狄拉克统计。manbet手机版玻色子具有积分自旋和对称波函数，即当两个粒子交换时，它们的波函数是不变的，并且它们遵循玻色-爱因斯坦统计。manbet手机版费米子倾向于相互避开，一个费米子气体在每个单粒子量子态中最多只能有一个粒子。manbet手机版另一方面，玻色子更合群，可以占据相同的量子态。manbet手机版在特定的温度下(取决于粒子密度)，玻色子倾向于以能量和动量最低的量子态聚集在玻色-爱因斯坦凝聚态中。manbet手机版然后用同一个波函数来描述它们。

manbet手机版只有弱相互作用的纯玻色-爱因斯坦原子凝聚体直到去年才在实验上产生。manbet手机版然后，一些小组成功地将稀释气体的小样本冷却到远低于1微开尔文的温度。manbet手机版但是，在20世纪30年代，人们已经发现了一种玻色-爱因斯坦凝聚态，即氦的超流体相。manbet手机版这种量子液体是自由流动的(没有粘度)，可以穿透对普通液体和许多气体封闭的细孔，可以沿壁向上爬行，是一种极好的导热体。

manbet手机版氦主要由同位素氦-4组成，氦-4是一种玻色子(电子自旋和核自旋为零)。manbet手机版另一方面，更为罕见的同位素氦-3的核自旋为1/2，是费米子，因此不能发生玻色-爱因斯坦凝聚。manbet手机版但是在1957年解释金属中的超导现象时，巴丁、库珀和施里弗证明了费米子(在这种情况下是电子)在一定条件下可以组成表现为玻色子的对(库珀对)。manbet手机版然后这些对就会凝结成基态。manbet手机版原则上，这解释了1972年Lee, Osheroff和Richardson在氦-3中发现的超流现象。manbet手机版但是配对的性质和配对的性质在这两种情况下是非常不同的。

manbet手机版在超导金属中，周围的正离子晶格提供了一种机制，使具有相反动量的电子配对在一起并自旋为具有零轨道角动量或自旋的准粒子(L=S=0)。manbet手机版在氦-3的超流体相中，原子本身通过磁相互作用提供了配对相互作用(超流体相几乎是铁磁性的)，而且配对更加复杂。manbet手机版原子在对中相互旋转，对有一个单位的内轨道角动量(L=1)。manbet手机版核自旋磁矩倾向于沿着一个共同的方向(S=1)。manbet手机版波函数是一个复值函数，具有幅值和相位。manbet手机版这意味着超流体氦-3对的波函数有2(2L+1)(2S+1)=18个真实分量，而超导电子对只有2个。manbet手机版即使有些分量是相互耦合的(在自旋-轨道空间中有一个自发的对称性打破)，波函数仍然相当复杂，并引起一系列丰富的定向效应。

manbet手机版在凝聚态中，玻色子准粒子对相互耦合，可以用具有明确相位的宏观波函数来描述。manbet手机版这意味着它们的自旋原子核和同伴相互旋转的粒子对都是相干运动的，因此它们各自的核自旋和轨道角动量耦合到具有大空间扩展的相关状态。manbet手机版这样做的一些后果是，需要一个最小的能量(间隙能)来分解冷凝液，液体不能在临界旋转速度以上自由旋转，但在量子化循环中出现涡旋，并且出现约瑟夫森效应，例如，在样品上的磁场变化后，导致液体中出现一种“环响”。manbet手机版大多数关于配对态和配对机制的理论概念在实验发现之前就已经发展出来了，其中包括安德森和莫雷尔(后来还有布林克曼)，弗多文，巴里安和韦瑟默等人。manbet手机版关于超流氦-3的实验后来有助于区分不同的理论。

manbet手机版4.manbet手机版实验技术
manbet手机版氦气是一种惰性气体，在普通空气中含量很少(约为20万分之一)。manbet手机版但同位素氦-3的比例要小100万倍左右，从空气或普通氦气中提取氦-3的成本太高。manbet手机版相反，它可以通过核反应堆的中子照射锂来产生。manbet手机版在核反应和衰变之后，会留下一种富含氦-3的气体，这种气体会以高价出售。

manbet手机版氦的两种同位素都是惰性的轻气体，这意味着它们的电子偶极极化率很小，从而使得单个原子之间的范德华相互作用很弱，但零点运动也很大。manbet手机版这意味着冷凝气体液氦在常压下不会冻结，即使在接近绝对零度的温度下也会保持液态。manbet手机版在这方面，氦在元素周期表的所有元素中是独一无二的。manbet手机版只有在低温高压下，液氦才会结晶并转变为固相。

manbet手机版20世纪60年代开发了几种强有力的冷却技术。manbet手机版李、奥谢洛夫和理查森使用了一种由波莫兰丘克提出的方法，该方法由安乌夫列夫付诸实践，后来由康奈尔大学的科学家等人开发。manbet手机版该方法利用了氦-3在低温下液相比固相更有序的显著特性。manbet手机版(普通的液体比相应的晶体更无序，具有更高的熵，因为它们的原子周期性地有序排列。)manbet手机版通过对液体施加压力，它的一部分就转化为固相。manbet手机版这些部分因此从高阶转换到低阶，这需要热量(例如普通晶体的熔化)。manbet手机版这些热量来自于剩余的液体，从而进一步冷却。

manbet手机版使用波美兰丘克冷却，在所有液体转化为固相之前，可以达到略低于2mk的最终温度。manbet手机版这一过程因非连续性而受到阻碍，但它有几个积极的性质。manbet手机版由于冷却介质与样品相同，冷却功率高，与液氦-3样品的热接触好。manbet手机版在非常低的温度下，否则很难获得良好的热接触;manbet手机版很容易发生冷却剂、样品和温度计的温度不同的情况。manbet手机版不同的激发(例如，原子、自旋波和电子之间的热运动)也可能不在热平衡中。

manbet手机版5.manbet手机版超流氦-3的发现及其性质
manbet手机版康奈尔大学的科学家是低温专家，他们建造了自己的仪器。manbet手机版但在他们第一次测量氦-3时，他们的温度计在绝对零度以下千分之一度时出现了问题。manbet手机版他们决定在外部压力随时间均匀增加的情况下监测样品的内部压力。manbet手机版正是研究生Osheroff观察到了内部压力随时间变化的方式。manbet手机版他并没有把这种观察结果当作是仪器的某种特性造成的，而是坚持认为这是一种真实的效果。manbet手机版他观察到两个异常现象，如图1所示。manbet手机版它们被证明是向A阶段的过渡，在A阶段，玻色子对的单个成员具有平行自旋，而在B阶段，它们既有平行自旋，也有反平行自旋。manbet手机版(在磁场中，a相会以B相为代价而增加，如压力-温度图所示。manbet手机版然后是一个新的阶段(a_{manbet手机版1}manbet手机版)出现，其中原子具有平行自旋(如在相A中)，它们都指向同一个方向。

manbet手机版康奈尔大学研究小组的另一个专长是核磁共振技术(NMR)。manbet手机版在外加磁场中，样品原子的核自旋将围绕磁场线旋转。manbet手机版旋转的频率由磁场的强度和原子核的磁矩给出。manbet手机版当频率与外加射频场的频率相等时，出现共振，射频场的吸收增加。manbet手机版这种测量为氦-3原子核的磁性状态提供了有价值的信息。manbet手机版Lee, Osheroff和Richardson发现了相变时共振频率的特征变化，这些变化取决于磁场强度和温度，在A和B相中是不同的。manbet手机版的理论家manbet手机版莱格manbet手机版能在几周内，详细解释他的特征行为。manbet手机版他指出，在每一对核对中，核自旋与旋转是耦合的，并指出了描述凝聚态的宏观波函数相位的重要性。

manbet手机版氦-3的新相确实是超流体，并且可以无阻力地流动，这一事实在发现后不久就被两个小组证明了。manbet手机版赫尔辛基科技大学的一个由Olli Lounasmaa领导的小组测量了在液体中振动的弦的阻尼。manbet手机版他们发现，当液体从2 mK以上冷却到1 mK时，阻尼减少了约1000倍。由已故的拉霍亚大学的约翰·惠特利领导的小组检测并测量了所谓的四阶声音的速度。manbet手机版这不是普通声音中的压力波或密度波，而是出现在细孔隙中的恒定压力下的温度波。manbet手机版在赫尔辛基进行的一项持续流动实验表明，超流体氦-3在一个含有填充粉末和氦-3的环面上的流动，在B相(但在各向异性的A相)中没有衰减，至少在几天的尺度上是这样。manbet手机版这意味着它的粘度至少比正常的流体氦-3的粘度小12个数量级。

manbet手机版6.manbet手机版超流氦-3的研究现状
manbet手机版测试超流体相干性的最令人信服的实验可能是那些显示量子化涡的出现的实验。manbet手机版当超流体处于旋转状态，并且旋转速度超过一个临界值时，就会出现微观涡。manbet手机版这样的涡旋周围的环流不能取任意值，而是量子化的。manbet手机版这是从“普通”超流氦中得知的。manbet手机版在氦-3中，涡旋可以呈现复杂的外观，事实上，在涡旋核心中可以看到八种不同类型的涡旋，它们具有不连续或连续的流动。manbet手机版它们都代表了一种具有独特对称性和结构的新型拓扑对象。manbet手机版核磁共振、振动弦等方法已被用于研究涡流的详细结构。manbet手机版它们的外观甚至可以通过光纤和冷却的CCD相机直接观察到，就像芬兰小组观察旋转样品表面所做的那样。

manbet手机版另一个热门研究领域是纹理，类似于液晶中出现的纹理，在液体的不同区域，核自旋和轨道角动量指向不同方向。manbet手机版研究了边界面对液相取向、成核和相变随时间变化的影响。

manbet手机版氦-3的相变最近被两个不同的实验小组(格勒诺布尔和赫尔辛基)用来模拟早期宇宙中宇宙弦的形成。manbet手机版这些假设的弦可能以快速相变中的拓扑缺陷的形式出现，这些相变被认为打破了最初统一的相互作用的对称性，并产生了我们今天所知道的四种基本力(强、电磁、弱、引力)。manbet手机版这两个小组都使用中子诱导的核反应来局部加热他们的样品，这种方式非常突然，以至于良好的局部相变伴随着漩涡的形成，这些漩涡是宇宙弦的类似物。manbet手机版因此，祖雷克根据基布尔的观点提出的理论的有效性似乎得到了证实。manbet手机版宇宙弦被认为是重要的，例如，对于星系的形成。

manbet手机版7.manbet手机版总结
manbet手机版氦-3中的超流体只出现在极低的温度下，低于约2 mK，并且只有极低温技术的专家才有实际应用。manbet手机版它的主要重要性是发展我们对强相互作用的多粒子量子系统(如量子液体)的复杂行为的理解，以及宏观量子现象领域理论概念的发展。manbet手机版对高温超导的理解仍然不完整，已经从氦-3的概念中获得，给出了在强相互作用系统中导致粒子配对的相互作用的例子，以及这种粒子对的波函数的对称性。manbet手机版作为实际应用，在超流体相a和B与正常液相处于平衡状态的多临界点也被用作在非常低的温度下定义温度尺度的固定点。

manbet手机版8.manbet手机版进一步的阅读
manbet手机版“超流氦3”，N.D. Mermin和D.M. Lee著，《科学美国人》，1976年12月，第56页。

manbet手机版“低温科学——留给物理学家的是什么?”manbet手机版，作者R.C.理查德森，《今日物理》1981年8月，第46页。

manbet手机版特刊:他^{manbet手机版3.}manbet手机版和他^{manbet手机版4}manbet手机版《今日物理》，1987年2月，其中包括M.C. Cross和D.D. Osheroff撰写的《固体氦-3的新磁性》，第34页。

manbet手机版“^{manbet手机版3.}manbet手机版他是超流体”，作者O.V. Lounasmaa和G.R. Pickett，《科学美国人》，1990年6月。

manbet手机版“氦3的超流体相”，由D. Vollhardt和P. Wölfle，泰勒和弗朗西斯1990年。

manbet手机版图1。manbet手机版在均匀压缩和减压循环下，含有液态和固态氦-3混合物的波美兰丘克容器内压力的时间依赖性。manbet手机版注意曲线在点A和B处的斜率变化以及它们出现时的温度。manbet手机版该曲线取自D.D. Osheroff、R.C. Richardson和D.M. Lee在《物理评论快报》(Physical Review Letters 28,885, 1972)上发表的一篇论文，该论文首次描述了氦-3的新相变。