超流3He中的双量子涡旋

摘要：

我们所感受到的物质世界是由质子、中子、电子和光子组成的.随着粒子物 理研究的不断发展，人们认识到，除了上述四种宏观物质组元粒子之外，还存在上百种短寿 命的粒子.根据标准模型，最深层次的物质粒子共有12种(每种另有相应的反粒子)，即6种 夸克(夸克组成了质子、中子、介子等强子)和6种轻子(包括电子、μ子、τ子等).此 外，还有一些力传递粒子，如传递电磁力的光子等.
上述理解涵盖强力、弱力和电磁力三种基本相互作用，但第4种相互作用——引力未被包括 在内.其原因在于：前三种力可用量子不连续的图像来描述，但引力却以大尺度平滑弯曲的 时空结构为基础.如何将量子理论与引力理论统一起来，是当今物理学的一个热门课题.从 20世纪80年代起，前沿理论物理学家们不约而同地将大统一的研究努力集中到超弦理论方向 上.所谓超弦，是指其振动方式代表了各种基本粒子的一维客体.这种弦在11维时空中振动 ，其中的6维在宇宙大爆炸初始的瞬间卷绕成为小球(表现为各种粒子)，其中的4维给出了我 们今天所看到的时空，而第11维则代表我们的观察立场.尽管该理论面临着诸多困难，其前 景也难于预测，但理论物理学家们却仍对它情有独钟.
超弦的尺度仅为10-35m，它甚至比被视为质点的电子尺度还要小十几个量级.因此， 不可能从实验的角度对超弦进行观察.实验物理学家研究超弦的最佳途径是，观察它的替代 物.这种替代物应该是线状的、微小的、结构非常简单的，并且作为凝聚的残存物能够在清 洁的背景上被展现(犹如白纸上的一粒灰尘).纵观所有已知的宏观物理现象，人们发现，最 佳的替代物是超流3He中的涡旋.
液3He在Tc(～2.6mK)以下，转变为超流态，作为背景空间它正像是一张白纸.挠 动将在超流背景上激发出涡旋，各种类型涡旋的产生可以受到严格的控制：随着液体转动速 率的增加，涡旋一个一个地注入到超流体中.并且涡旋波函数的对称性也与超弦的极为相似 .最近，来自芬兰赫尔辛基技术大学的Blaauwgeers等，通过对超流3He-A相的核磁共 振(NMR)研究证明：一种独特的涡旋——直径约10μm的双量子涡旋，即环绕一周位相变化4 π的量子涡旋——是3He-A相中最普遍的涡旋结构.他们所取得的成果或许对超弦理 论的发展有所启发.
在Blaauwgeers等的实验中，充满液态3He的样品室是一个直径2R=3.87mm，高8m m 的圆柱腔.它与核去磁致冷机(冷却3He液体到超流转变温度Tc以下)接触，并且 能够绕圆柱轴转动.NMR测量的外磁场方向与转动轴垂直.在超流态，作为费米子的3 He原子结成库珀对，并且同处于轨道L=1和自旋S=1单一量子态.当液体旋转的角速度超 过某一临界值，在超流3He中将开始有涡旋形成.这些涡旋线的分布，在与转轴垂直 的平面内，表现为周期晶格.在三维空间以单位矢量I　^标记库珀对轨道矩的局 地取向.在Blaauwgeers等的实验条件下，对于超流3He的大块液体来说，I　^的取向是均匀一致的.然而，在涡旋位置附近，I 　^的指向可以在整个球面的4π 方向上作连续的变化.当有涡旋产生时，NMR吸收谱线将出现涡旋伴峰，它相对于主峰(表 征大块液体的吸收频率)有一个频移.频移量的大小依赖于轨道矩和自旋矩之间的相对取向 ，这就为监测涡旋的逐个产生提供了一个有效的手段.

机标关键词：量子涡旋、粒子、实验物理学家、理论、液体、替代物、时空、取向、库珀对、结构、函数的对称性、轨道、电子、电磁力、尺度、超流态、宇宙大爆炸、组成

所属期刊栏目：29

分类号：O4 ;TM2

在线出版日期：2004-01-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共2页

页码：751-753