当原子冷却到接近绝对零度时，奇异的行为就会在原子中出现。通过将同位素氦-3带到这个临界值的边缘并将其限制在一个很小的空间，康奈尔大学的研究人员发现，超流体中自发地出现了一个令人惊讶的圆点图案。
“我们发现了明显的证据，表明一种模式正在形成，基本上是突然出现的。系统不应该这样做，”Jeevak Parpia, M.S. ‘ 77, Ph.D. 79，专攻低温物理学的物理学教授说。
今年2月发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文《3He空间调制超流体相的证据》(Evidence for a space – Superfluid Phase of 3He Under)描述了这项工作。Parpia与伦敦大学皇家霍洛威学院的研究人员(由物理学教授John Saunders和研究员Lev Levitin领导)合作，利用康奈尔大学建造的特殊约束室进行实验。
超流体是一种奇异的量子系统，它以统一的方式运行，没有阻力或粘度。当冷却到绝对零度以上几度时，液态氦-3(一种由两个质子和一个中子组成的同位素)放弃了它的随机运动，而倾向于协调运动。这种材料可以被描述为具有特定性质的单一波函数。
自上世纪70年代初在康奈尔大学发现液氦的超流体状态以来，一直是研究的热点。这项工作为康奈尔大学的物理学家大卫·m·李、罗伯特·c·理查森和道格拉斯·奥谢洛夫赢得了1996年的诺贝尔奖，他们分别在71年和73年获得了硕士学位和博士学位。
已知存在两种超流体氦-3 (A相，B相)。21世纪初，美国西北大学(Northwestern University)的理论物理学家詹姆斯•索尔斯(James Sauls)和安东•沃龙佐夫(Anton Vorontsov)提出，当B相被限制在一个近乎二维的空间中时，它会以正负方向相等的比例排列成条纹状。
由于设计一个高度仅为一微米(一米的百万分之一)的限制装置非常困难，这一假设的验证受到了阻碍。康奈尔大学的研究人员在康奈尔纳米科技设施(CNF)设计并建造了特殊的磁共振室，尺寸为1厘米长和宽，1.1微米高，创造了一个几乎平坦的腔体来进行他们的实验。
通过对超流体的限制，物理学家发现超流体状态分为正域和负域，正域出现的浓度是负域浓度的4倍。研究结果排除了条纹图案，取而代之的是一组规则或无序的岛屿区域——换句话说，波尔卡圆点。
自发图案的出现是对称性破坏的证据，一种不寻常的现象。帕皮亚说:“通常，这种图案会造成巨大的能源成本，但波尔卡圆点图案似乎会降低能源成本，足以弥补这一损失。”他说，这些发现有一天可能有助于阐明量子计算的原理。
“创造一个高度一致、延伸如此之大距离的房间是非常了不起的。很难想出保持这种形象的方案。”
密室由罗伯特·班尼特(Robert Bennett)在担任博士后研究助理时设计，由尼古拉·泽列夫(Nikolay Zhelev)、硕士(13岁)和博士(16岁)创建。
帕皮亚说:“超流体是一种非凡的材料，当我们把它们限制在越来越小的系统中时，我们仍然会对它们的丰富性和意想不到的行为感到惊讶。”“在一个我们可以非常精确地控制的系统中发现这些奇异形式的物质，这给了我们可以应用于更实际的电子系统的知识。”
CNF由康奈尔大学、国家科学基金会(NSF)、帝国理工学院的科学、技术和创新部门、行业合作伙伴和其他用户支持。这项研究得到了英国工程和物理科学研究委员会的资助美国的国家科学基金会(NSF)和英国的欧洲Microkelvin平台。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：http://news.cornell.edu/stories/2019/04/polka-dot-pattern-upends-superfluid-hypothesis