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manbet手机版教授manbet手机版道格拉斯·d·Osheroffmanbet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，伊萨卡，纽约州，美国，

manbet手机版因为他们发现了氦-3中的超流体。

manbet手机版这份附加的背景材料简短地描述了这一发现及其重要性，主要是为物理学家写的。

manbet手机版1.manbet手机版低温物理学的一个突破
manbet手机版20世纪70年代初，大卫·李、道格拉斯·奥舍洛夫和罗伯特·理查森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表现形式的看法作出了最有价值的贡献。manbet手机版这种各向异性超流体氦-3出现在临界温度以下，即绝对零度以上约千分之二度，被认为是一种特殊的玻色-爱因斯坦凝聚态，具有丰富的物理性质。manbet手机版对这种奇异量子液体的研究产生了具有普遍重要性的概念，例如，对高温超导体的理论处理可能有用。manbet手机版最近，氦-3的相变被研究为宇宙相变动力学的模型，人们认为宇宙相变发生在大爆炸后的不到一秒(参见《自然》杂志，7月25日和《科学》杂志，1996年8月2日)。manbet手机版超流体氦-3的临界点被用来定义极接近绝对零度时的温标。

manbet手机版2.manbet手机版这一发现
manbet手机版氦-3中的超流首先表现为固体氦-3熔化曲线中的小异常，即在流体冷却时，表现为压力与时间关系图中的小结构。manbet手机版人们总是倾向于认为小的偏差或多或少是设备的难以解释的特性，但发现者们开始相信这是一个真实的影响。manbet手机版他们实际上并不是在寻找超流体，而是在寻找其中的反铁磁相manbet手机版固体manbet手机版根据预测，氦-3将出现在2 mK以下。因此，他们在1972年发表的第一篇论文中，很自然地把这种效应解释为观察到这种相变。

manbet手机版这个共识并不完美，但通过进一步发展他们的技术和新的测量方法，仅仅几个月后，他们就可以精确地确定效果。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，但仍在进行着根本性的发现。

manbet手机版3.manbet手机版粒子统计和超流性
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，波函数是原子的所有坐标的函数，但它只规定了在给定时间在给定区域找到粒子的概率。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手机版费米子有半积分自旋，用两个粒子交换时反对称的波函数来描述，也就是说，当两个粒子交换位置时，波函数的符号会改变，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回避，而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，玻色子更善于交际，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)，玻色子倾向于以最低能量和动量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描述它们。

manbet手机版纯玻色-爱因斯坦凝聚态的(玻色子)原子只相互作用弱直到去年才被实验产生。manbet手机版然后，许多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，早在20世纪30年代，人们就已经发现了一种波色-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(无粘性)，可以穿透普通液体和许多气体关闭的细小孔隙，可以沿着壁面向上爬行，是一种极好的热导体。

manbet手机版氦主要由同位素氦-4组成，它是玻色子(电子自旋和核自旋为零)。manbet手机版另一方面，更稀有的同位素氦-3的核自旋为1/2，是费米子，因此不能进行玻色-爱因斯坦凝聚。manbet手机版但在1957年解释金属超导现象时，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具有玻色子行为的对(库珀对)。manbet手机版然后，这些对可以经过凝结到基态。manbet手机版原则上，这解释了1972年Lee、Osheroff和Richardson发现氦-3中的超流现象。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，是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并自旋到轨道角动量或自旋为零(L=S=0)的准粒子成为可能。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配对相互作用(超流体相几乎是铁磁的)，而且配对更加复杂。manbet手机版这对原子彼此旋转，并且这对原子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手机版描述对的波函数是复值函数，同时具有幅值和相位。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个实分量，而超导电子对只有2个实分量。manbet手机版即使有些分量是相互耦合的(自旋轨道空间中对称性的自发破坏)，波函数仍然是相当复杂的，并产生了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，当它们的自旋原子核和同伴相互旋转时，所有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一个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)来打破凝结物，液体不能在临界转速以上自由旋转，但涡旋与量子化循环一起出现，约瑟夫森效应出现，例如，在样品上的磁场变化后，导致液体中出现一种“振环”。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被开发出来了，其中包括安德森和莫雷尔(后来还和布林克曼一起)、Vdovin、Balian和Werthamer等人。manbet手机版对超流体氦-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手机版氦是一种惰性气体，在普通空气中只存在很小的成分(约为20万分之一)。manbet手机版但是同位素氦-3的比例要小大约100万倍，而且从空气或普通氦气中提取它的成本太高。manbet手机版相反，它可以通过核反应堆的中子照射锂来生产。manbet手机版在核反应和衰变之后，一种富含氦-3的气体被留下，并以高价出售。

manbet手机版He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，因此使得单个原子之间的范德华相互作用很弱，而且零点运动很大。manbet手机版这意味着凝聚态气体，液氦，在常压下不会结冰，但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，氦在元素周期表上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手机版在20世纪60年代发展出了几种强大的冷却技术。manbet手机版李、奥舍洛夫和理查森采用了一种方法，这种方法是由波梅兰丘克提出的，后来被安乌夫列夫投入实际应用，后来又被康奈尔大学的科学家等人开发出来。manbet手机版该方法利用了氦-3在低温下液相比固相有序的显著特性。manbet手机版(普通液体比相应的晶体无序得多，具有更高的熵，因为它们的原子行是周期性有序的。)manbet手机版通过对液体施加压力，它的一些部分变成了固相。manbet手机版因此，这些部分从高阶转变为低阶，这就需要热量(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Pomeranchuk冷却法可以在所有液体转化为固相之前达到略低于2mk的最终温度。manbet手机版这个过程由于不是连续的而受到阻碍，但它有几个积极的性质。manbet手机版冷却功率高，与液氦-3样品的热接触好，因为冷却介质与样品相同。manbet手机版在非常低的温度下，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(例如原子之间的热运动、自旋波和电子)也可能不处于热平衡状态。

manbet手机版5.manbet手机版超流体氦-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，他们已经建造了自己的设备。manbet手机版但在对氦-3的第一次测量中，他们的温度计在绝对零度以下的千分之一度出现了问题。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由于仪器的某种特性所引起的，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，如图1所示。manbet手机版它们被证明是过渡到相位A，在相位A中玻色子对的单个成员具有平行自旋，过渡到相位B，在相位B中它们既有平行自旋也有反平行自旋。manbet手机版(在磁场中，相a会以相B为代价而增加，如图压温图所示。manbet手机版然后又是一个新的阶段_{manbet手机版1}manbet手机版)出现，其中原子对具有平行自旋(如相A)，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决定。manbet手机版当频率与应用射频场的频率相等时，产生共振，射频场的吸收增加。manbet手机版这种测量为氦-3核的磁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，这种变化依赖于磁场强度和温度，在A相和B相中不同。manbet手机版的理论家manbet手机版莱格manbet手机版可以在几周内，详细解释这种特征行为。manbet手机版他指出，在每一对中，核自旋与旋转耦合，并指出描述凝聚态的宏观波函数的相位的重要性。

manbet手机版氦-3的新相确实是超流体，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手机版由Olli Lounasmaa领导的赫尔辛基科技大学的一个研究小组测量了在液体中振动的弦的阻尼。manbet手机版他们表明，当液体从2 mK以上冷却到1 mK时，阻尼减少了约1000倍。拉霍亚大学已故的约翰·惠特利领导的研究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，而是细孔隙中出现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在含有填充粉末和氦-3的环面上的流动，在B相中(但在各向异性的A相中没有)至少在几天内不会衰减。manbet手机版这意味着它的粘度至少比正常流体氦-3的粘度小12个数量级。

manbet手机版6.manbet手机版超流体氦-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且旋转速度超过临界值时，就会出现微观涡。manbet手机版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，涡旋可以呈现出复杂的外观，事实上，在涡旋核心中已经看到了8种不同类型的涡旋，它们的流动不连续或连续。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手机版利用核磁共振、振动弦等方法研究了涡旋的详细结构。manbet手机版它们的外观甚至可以通过光纤和冷却CCD相机直接观察到，就像芬兰研究小组观察旋转样品表面所做的那样。

manbet手机版另一个热门的研究领域是结构，类似于出现在液晶中的结构，核自旋和轨道角动量在液体的不同区域指向不同的方向。manbet手机版研究了边界面对液相取向、成核和相变时间依赖性的影响。

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)用来模拟宇宙早期弦的形成。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，这种相变被认为打破了最初统一相互作用的对称性，并产生了我们今天所知道的四种基本力(强、电磁、弱、引力)。manbet手机版两个小组都使用中子诱发核反应来局部加热他们的样品，这种加热方式非常突然，以至于局部的相变伴随着漩涡的形成，这些漩涡是宇宙弦的类似物。manbet手机版祖雷克根据基布尔的观点提出的一个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中的超流只出现在极低的温度下，低于约2 mK，而且只有在极低温技术方面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，并发展宏观量子现象领域的理论概念。manbet手机版对高温超导的理解还不完全，是从氦-3的概念中获得的，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，以及这种对的波函数的对称性。manbet手机版作为一个实际应用，多临界点，即超流体相a和B与正常液相处于平衡状态，也被用作在非常低的温度下定义温度刻度的固定点。

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——物理学家还剩下什么?”manbet手机版， 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《固体氦-3的新磁性》一文，作者是M.C. Cross和D.D. Osheroff，第34页。

manbet手机版“^{manbet手机版3.}manbet手机版《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》，D. Vollhardt和P. Wölfle, Taylor和Francis 1990。

manbet手机版图1。manbet手机版含液固混合氦-3的波美拉丘克槽内压在均匀压缩和减压循环下的时间依赖性。manbet手机版注意曲线在点A和点B处的斜率变化，以及它们出现时的温度。manbet手机版该曲线摘自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。