據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)12月13日（北京時間）報道，最近，日本物理學(xué)家在研究零重力條件下晶體生長的過程中，突破了實(shí)驗(yàn)室條件限制，在飛機(jī)上用氦-4超流液生成了長達(dá)10毫米的氦晶體，檢驗(yàn)了氦晶體在更寬廣條件下生長的特殊動力學(xué)，這是普通材料無法實(shí)現(xiàn)的。相關(guān)論文發(fā)表在當(dāng)日的《新物理學(xué)雜志》上。
該氦晶體是利用高壓，在0.6K（約零下272℃）的極低溫度下，以超流液潑濺的方式生長出來。超流液是一種量子態(tài)物質(zhì)，其性質(zhì)像液體但黏度為零，所以在高壓下也能暢通無阻。超流液能流過極微小的縫隙而沒有任何摩擦阻力。
晶體生長過程也叫“奧斯特瓦爾德熟化”（Ostwald ripening），即在溶液中，較小的結(jié)晶會溶解并再次沉積到較大的結(jié)晶上。“奧斯特瓦爾德熟化通常是一種很慢的過程，短時間內(nèi)在較大晶體中幾乎無法看到。”論文領(lǐng)導(dǎo)作者、東京工業(yè)大學(xué)教授野村龍司（音譯）說，“對于普通的傳統(tǒng)晶體，要形成最后的固定形狀可能要花幾千年。而低溫氦晶體1秒鐘就能達(dá)到它們的最終形狀。一般氦晶體生長超過1毫米時，就會由于重力的作用而變形，這也是我們?yōu)楹我陲w機(jī)上做該實(shí)驗(yàn)的原因。”
當(dāng)飛機(jī)以特殊軌跡，也就是沿拋物線飛行時，飛機(jī)上的重力為零。研究人員與日本航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）合作，在一架小型噴氣式飛機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該飛機(jī)能提供20秒的零重力條件，在一次兩小時的飛行中，大約能做8個實(shí)驗(yàn)。
他們在飛機(jī)上設(shè)計了一個專用的小冰箱，上面裝有窗口以觀察晶體形成。他們把一塊較大的氦晶體放在高壓室中，用聲波將其擊碎成微小顆粒，然后潑入氦-4超流液，較小顆粒融解其中，較大的則迅速生長，很快形成一個10毫米長的獨(dú)立晶體。
“氦晶體能極快地從超流液中生長出來，因?yàn)楹ぴ邮怯煞浅ｌ`敏迅捷的超流液攜帶，結(jié)晶過程不受任何阻礙。這是一種研究晶體形成基本問題的理想材料，因?yàn)榻Y(jié)晶速度極快。”龍司說。這項(xiàng)研究有助于人們理解晶體生長背后的基本物理機(jī)制，也揭示了隱藏在重力下面的一些現(xiàn)象。
圈點(diǎn)
通常情況下，生成氦晶體并不容易，不僅需要把液態(tài)氦-4轉(zhuǎn)換為固體的冷凍溫度，而且還必須將液態(tài)氦-4加壓到至少25個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。此外氦晶體生長超過1毫米時，還會受到重力的作用而變形。而日本物理學(xué)家獨(dú)辟蹊徑，在飛機(jī)上零重力的條件下，生成長達(dá)10毫米的氦晶體，不能不說是一大突破。前些年，像幽靈一樣互相穿過對方的晶體——“超固態(tài)氦”的發(fā)現(xiàn)，引起巨大反響，而這次零重力下生長氦晶體的成功，無疑又是一記重磅炸彈。