加热之后，这种液体反而会“冻结”？

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加热之后，这种液体反而会“冻结”？

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2023-07-29 14:07

图片来源：Unsplash

撰文 | 爱丽丝·卡茨（Elise Cutts）

翻译 | 董子晨曦

随着温度变化，物质会发生相变——升温会使固体熔化成液体，降温则使液体冻结成固体——这是基本的物理规律。但在量子效应下，物态的转变规律却可能违反直觉，甚至颠倒过来。

最近，在一项发表于《自然·通讯》（Nature Communications）的研究中，物理学家展示了加热量子液体（这项研究中的量子液体是一种温度很低的磁性原子气团），可以让它“冻结”形成一种被称为“超固体”的物态——具有像固体一样有序排列的晶格结构，同时表现出超流体的特性。2021年，科学家首次观测到这种奇特的行为，但直到最近他们才能够解释这一现象。

德国斯图加特大学的物理学家蒂姆·兰根（Tim Langen，未参与这项研究）评价道：“这篇论文设法引入了一些新的理论，可以成功地描述我们之前不能理解的实验现象。”

量子粒子既是粒子也是波，可以用概率云来描述这些粒子的运动轨迹。给定时刻在概率云中找到一个粒子的概率与粒子的波动行为（通过波动方程描述）有关。而在量子液体中，粒子间紧密的相互作用使它们成了一个相干的流体，仅用一个波动方程就能描述这个流体的集体行为。这种流体在流动时不存在任何摩擦力，因此也可以被称为“超流体”。

早在2021年，这项新研究的研究团队就发现，加热磁性稀土元素镝的超低温量子液体可以将它固化，形成超固体的特征峰。但鉴于这是一个意料之外的结果，“我们必须找到一个能令自己信服的理论来解释这一现象。”丹麦奥胡斯大学的托马斯·波尔（Thomas Pohl，这项研究的共同作者）说。

如今，研究团队认为，这种违反直觉的行为源于热量与磁性原子堆叠的自然趋势间一种奇特的协同作用。

在原子层面，温度即运动：基于温度能测量粒子随机运动产生的能量。因此，加热某个物体很像是去摇晃它，向其中注入随机的热量扰动。在量子液体中，热波会将原子从量子流体统一的混合状态中推出。但由于磁性原子的磁性很强，这些逃逸的粒子会与量子流体发生强烈的相互作用，并自然地表现出镝原子固有的堆叠倾向。这种温度带来的影响改变了整个量子流体的波动方程，促使它形成具有规律间隔信号峰的超固态。

“这多么奇怪且违反直觉——但作为物理学家，这正是我希望发现的现象，”西班牙加泰罗尼亚大学、丹麦奥胡斯大学的胡安·桑切斯-巴埃纳（Juan Sánchez-Baena）表示。“如果研究发现的所有东西都顺理成章，事情就会变得很无聊。”

本文选自《环球科学》7月刊前沿栏目

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来源: qq

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