超流动性的发现：从氦-4到氦-3的科学探索
超流动性的发现：从氦-4到氦-3的科学探索
超流动性是宏观量子效应的一个重要表现，当液体转变为超流体时，其内部的原子会失去随机运动的特性，转而以有序的方式运动。这种现象最早在液氦中被发现，随后在氦-3中也观察到了类似的现象。本文将详细介绍超流动性的发现历程及其科学意义。
液氦相变和氦-4超流动性的发现
卡麦林-昂纳斯在1908年成功实现氦的液化之后，长时间致力于氮的固化，但都没有成功，直到1926年他的合作者开索姆（W.H.Keesom）采取降温同时加压的办法，才终于实现了这一目标。与此同时，他们和其他学者对液氦进行了系统的测量和研究，陆续发现了一些异常的迹象。
1923年，卡麦林-昂纳斯和丹纳（L.I.Dana）在2.2 K附近测量了液氦的潜热和比热，首次在这一温度下观察到了不连续性。
1927年，开索姆和沃尔夫克（M.Wolfke）证实这一不连续性是由于在液氦中发生了相变，他们把高于相变点的氮称为He Ⅰ，把低于相变点的称为He Ⅱ。
1932年，开索姆和克鲁休斯（K.Clusius）又在对液氦比热的测量中，确定了这一相变点，从曲线上可以看出，在2.17 K处出现了突变，他们根据曲线的形状（如图10-16），把这一相变点取名为λ点。
图10-16 液氮比热曲线[1]
1938年，有两个研究小组，一个以卡皮查为首，一个以阿伦（John F.Allen）为首，在同一期的《自然》杂志分别发表通讯，描述对2.2 K以下温度的氦通过狭窄通道时进行粘滞性测量的结果。两个小组都宣布液氮的粘滞系数小到无法测量。卡皮察把这一现象称为“超流动性”。卡皮察是用两块夹在一起、中间留有狭窄缝隙的玻璃板，让液氦在缝隙中流动。阿伦则是用毛细管进行观察。
随后，阿伦和琼斯（H.Jones）又在《自然》杂志上报导液氦的热-机械效应。其中有一个实验第一次显现了所谓的“喷泉效应”，如图10-17，他们用一个底部填充金刚砂细粉的U形管，管子置于液氮池中，下部有开口，顶部有一窄口，当用光对着有金刚砂细粉的管壁辐照时，液氦便会从顶部向上喷出。又过了几个月，牛津的顿特（J.G.Daunt）等人发现了所谓的“爬行膜”现象，他们在盛有液氦的大容器里放了一个小容器，液氦就在小容器壁上形成薄膜并以薄膜的形式流动。
图10-17 液He-4喷泉效应实验原理图[2]
一系列实验上的新发现对液氦理论提出了挑战。1938年，梯沙察（L.Tisaza）在F.伦敦有关液氮的玻色-爱因斯坦凝聚的基础上，提出了液氦的“二流体模型”。这模型认为，液氦Ⅱ由正常流体和超流体两种成分组成。这一理论不但能够解释液氦的一些性质，还预言了喷泉效应的逆效应（机械-热效应）。
图10-18 液He-4喷泉效应实验演示
1941年，朗道从微观入手，将量子理论直接用于液氦的超流问题。他提出了元激发概念，并推导出液氦元激发能谱。朗道的理论成功地解释了液氦超流动性的许多性质，并预言了在液氦中温度波的存在。三年后，这一预言得到了苏联物理学家彼什科夫（В.П.Пешков）的实验证实。20世纪50年代，朗道和金茨堡把他们的平均场理论用于描述超流体相中的输运特性；美国物理学家费因曼则进一步完善发展了液氦超流动性理论，使得理论与实验更为相符。
氦-3超流动性的发现
在自然界，氨有两种同位素。两种形式的氦具有完全不同的基本特性。4He是最普遍的，而3He只占很少一部分。构成4He的粒子是偶数，因而是玻色子。3He则是费米子。当两种同位素冷却到接近绝对零度时，它们的特性表现出巨大的差异。4He遵从玻色-爱因斯坦统计，处于能量最低的状态会发生玻色-爱因斯坦凝聚。
理论家普遍认为，对于像3He这样的费米子，它们遵从费米-狄拉克统计，即使在最低能量下也不能发生凝聚。由于这种原因，在绝对零度以上几度，3He似乎不可能发生像4He那样的超流动现象。但是，事实上3He也能发生凝聚现象，不过发生的机理更加复杂。这种现象可以由金属的超导理论——BCS理论来解释。人们预期3He也能形成玻色子对，在极低温下的3He同位素也会形成超流体。然而，虽然许多研究小组致力于这方面的研究，尤其是20世纪60年代从事这方面研究的组织更多，但是没有一个小组获得成功，于是许多人认为3He不可能形成超流体。
但是，1972年情况发生了变化，美国康奈尔大学低温物理实验室里的戴维·李（David M.Lee，1931—）、奥谢罗夫（Douglas D.Osheroff，1945—）和R.C.里查森（Richard C.Richardson，1937—）发现3He在大约0.002 K时有奇特的相变。他们采用的是20世纪50年代苏联人波梅兰丘克（Pomeranchuk）提出的制冷方法，即在低温下绝热压缩液态3He，利用液态逐渐转化为固态时吸热的制冷效应，使温度下降。这一制冷效应，也称波梅兰丘克效应，是当时获得极低温的一种新方法（装置如图10-19）。一般的情况是，物质的液相原子的排列是无序的，而固相中原子作周期性的排列，非常整齐有序，但其原子的核磁矩间相互作用很弱。根据理论计算，磁有序转变温度大约在2 mK，在这一温度以上，核磁矩取向混乱，而液相的3He原子间的相互作用并不改变费米液体的特征。在低温下，熵随温度变化，在300 mK以下，液相3He的熵比固相3He的自旋熵小得多，因此，靠绝热压缩液态3He，可以使液态3He的一部分变成固态，并降低混合物的温度。
通过耐心细致的实验，戴维·李等人在2 mK的低温下发现了两个新的液氦3相，具有不寻常的磁学性质。他们的观测描绘在如图10-20的曲线上。这一发现一经宣布，马上掀起了一场新量子液体的研究热。在这中间理论物理学家勒格特（Anthony Leggett）作出了重要贡献，他对发现作出了理论解释。他的解释进一步使人们认识到，用于微观系统的量子物理学定律有时可直接影响宏观系统的行为。
图10-19 波梅兰丘克制冷和压强测量装置[3]
图10-20 图形表示含有液态3He液体和固态3He冰的混合物样品的内部压强随时间的变化关系。首先对样品加一个外部的压强，时间大约为40分钟，此后压强逐渐减小。请注意A，B段的曲线及所对应的温度。曲线的形状说明在这些温度下发生了相变。
上述的发现公布不久，人们就进一步证实了新的流体是超流体，在这方面作出贡献的有赫尔辛基技术大学劳那斯玛（O.Lounasmaa）领导下的研究小组。他们测量了样品中振弦的阻尼，发现当样品由相变变为新的态时，阻尼减小了1 000倍。这说明液体没有内摩擦（粘滞性）。就这样，3He的超流动性终于被发现了。
稍后的研究又证实3He至少有三种不同的超流体相，其中有一个相只有把样品放置于磁场中才会出现。作为量子液体，3He比4He具有更加复杂的结构。例如，3He超流体具有各相异性的特性，即在不同的空间方向表现出不同的特性，这在经典液体中是没有的，这一点倒很类似于液晶的特性。
如果超流体以一定的速度旋转，当旋转速度超过临界值时，微观的涡旋产生了。这种现象在4He中也是存在的，但是人们对3He进行了更深入的研究，因为它的涡旋具有更复杂的结构。芬兰的研究人员已经发明了一项技术，他们用光纤直接观察到了在绝对温度0.001 K下3He旋转时的表面涡流效应。
3He超流体的发现有重要的意义。首先是在天体物理学上有着奇特的应用。有两个实验研究组已经使用相变产生的3He超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。这种浩瀚的假想物体对于星系的形成可能是重要的。人们认为，在宇宙大爆炸后的若干分之一秒内，由于快速相变导致这些物体的形成。研究小组使用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3He，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但可以认为是对3He流体涡旋形成的理论验证。
图10-21 康奈尔低温小组实验日志摘要
图10-22 戴维·李、奥谢罗夫（左）和里查森（右）合影
[1]转引自：Trigg G L.Landmark Experiments in Twentieth Century.Crane：Russak & Co.，1975.61
[2]转引自：Trigg G L.Landmark Experiments in Twentieth Century.Crane：Russak & Co.，1975.71
[3]引自：Osheroff D D，Richardson R C，Lee D M.Phys.Rev.Lett.，1972（28）：885 ~ 888