2004年1月29日，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学组成的联合研究小组宣布，他们创造出了物质的第六种形态——“费米子凝聚态”。这是该小组继1995年创造出物质的第五态——“玻色-爱因斯坦凝聚态”之后，在量子科学研究上的又一重大突破。

费米子凝聚态是物质的第六种形态吗？

人类生存的世界是一个物质的世界。我们的眼睛里所看到的，几乎都可以用“物质”这两个字来概括；即或是肉眼看不见的，也逃脱不了“物质”的范畴。无论是衣食住行还是人体本身，都是物质的。过去，人们只知道物质有三态，即气态、液态和固态。20世纪中期，科学家确认物质有第四态，即等离子体态（ plasma）。1995 年，美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组，首次创造出物质的第五态，即“玻色-爱因斯坦凝聚态”（ BEC， Bose - Einstein Condensate）。

图为德博拉·金介绍费米子凝聚态

2004年1月29日，又是这个联合研究小组宣布，他们创造出物质的第六种形态——费米子凝聚态（fermionic condensate）。 相关研究论文发表在近期的《物理评论通讯》（Physical Review Letters） 网络版上。论文描述了这种被称为fermionic冷凝物的物质，该新物质是由在接近绝对零度的温度下过度冷却的气态原子团构成的，研究者希望该新物质能有助于未来室温超导体的研制。消息传出，国际物理学界为之振奋。专家们认为，这一成果为人类认识物质世界打开又一扇大门，具有重大的理论和实践意义，将成为年度重大科技成果之一。

研究小组负责人德博拉 · 金（Deborah Jin）今年30岁，1995年获得物理学博士A学位，2003年获得美国麦克阿瑟基金会颁发的“大天才”奖。她表示，费米子凝聚态研究建立在玻色-爱因斯坦凝聚态的研究基础上。这项成果是量子科学研究的一大突破，在超导凝聚态技术上的应用前景非常广阔，有助于下一代超导体的诞生。面下一代超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

当然，科技界也有人对创造出物质的第六种形态持谨慎态度，认为所谓“费米子凝聚态”，只是这个联合研究小组去年11月首次利用费米子成功地创造出了玻色-爱因斯坦凝聚态研究的继续，而这一研究成果已被美国物理研究所（AIP）网站评为2003年度最重要的物理学进展。

费米子凝聚态是怎样的一种物质形态？

我们知道，通常所见的物质是由分子、原子构成的。处于气态的物质，其分子与分子之间距离很远。而对液态物质来说，构成它们的分子彼此靠得很近，一个挨着一个，密度要比气态大得多。至于固态物质，构成元素是以原子状态存在的，原子一个挨着一个， 相互牵拉。

当被激发的电离气体在达到一定的电离度之后便处于导电状态，而处于这种状态下的电离气体呈现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性（也就是电离气体内正负电荷数相等），因此科学家称这种气体状态为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为物质第四态。

所谓玻色-爱因斯坦凝聚，是科学巨匠爱因斯坦在70年前预言的一种新物态。为了揭示这个有趣的物理现象，全世界科学家为此付出了几十年的努力。1995年，美国科学家维曼（C. E. Wieman）、康奈尔（E. A. Cornell）和德国科学家克特勒（W. Ketterle）首先在实验中证实了这个新物态的存在。为此，2001 年度诺贝尔物理学奖授予了这三位科学家，以表彰他们在玻色-爱因斯坦凝聚研究中做出的突出贡献。

玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。要实现物质的该状态，一方面需要达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。华裔物理学家朱棣文曾因研发出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法而与另两位科学家分享了1997 年的诺贝尔物理奖。玻色-爱因斯坦凝聚态所具有的奇特性质，使它不仅对基础研究有重要意义，而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都让人看到了非常美好的应用前景。

于2003年11月实现的费米子的玻色-爱因斯坦凝聚

那么，费米子凝聚态到底是怎样的一种物质形态？根据德博拉 · 金的介绍，费米子凝聚态与玻色-爱因斯坦凝聚态有关，它还不是超导体，实际上是处在两种物质形态之间。量子力学认为，自然界中的粒子要么是玻色子，要么是费米子。这两类粒子不同特性在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，形成玻色-爱因斯坦凝聚；费米子则与之相反，它们更像是个人主义者，各自占据着不同的量子态。当物体冷却时，费米子逐渐占据最低能态，但它们是在不同能态上堆叠起来的，就像人群涌向一段狭窄的楼梯时那样。大部分最低能态都被单个费米子占据，这种状态称为简并费米气体。玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态都是物质在量子状态下的形态。玻色-爱因斯坦凝聚态物质是成千上万个具有单一量子态的超冷粒子的集合，其行为像一个大超级原子，它由玻色子构成，而德博拉 · 金领导的联合研究小组所制成的费米子凝聚态物质是由费米子构成。

费米子凝聚态是怎样创造出来的？

科学家们在1995年已成功地通过将具有玻色子特征的原子气体冷却至低温，获得所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态。由于没有任何两个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被认为不可能实现。去年，物理学家找到了一个克服以上障碍的方法，他们将费米子成对转变成玻色子。由于费米子对起到了玻色子的作用，所以可以让气体突然冷凝至玻色-爱因斯坦凝聚态。这一研究为创造费米子凝聚态铺平了道路。

德博拉 · 金领导的联合研究小组就是将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对温标零度（相当于-273. 15℃）以上的十亿分之一度。他们将气体约束在真空小室中，并采用磁场和激光控制钾原子成对。然而，用激光方法远远达不到费米子凝聚所要求的温度，为此，还要用蒸发冷却的方法继续冷却原子。为理解这种方法，让我们首先观察一杯热水是如何变冷的盛放在一个茶杯中的热水是由许多水分子组成的，这些水分子的能量有大有小。能量大的水分子运动得快，它们很快就从杯中逸出去，变成水汽飞到空气中了。这样，随着能量大的水分子逐渐跑掉，水的温度就慢慢变冷了。假如我们也有一个盛放原子的杯子将原子囚禁在里面，那么只要有足够的时间，杯中的原子就会冷却到足够低的温度了。对费米子凝聚而言，我们所用的杯子是用磁场做的。原子被放到这个“磁杯”中进行蒸发冷却，称为“磁阱”。我们知道，原子本身是有磁性的，就像一个小磁针。我们可以设计一个很强的磁场，像一口井一样将原子囚禁在里面，使它与外界隔离。这样，能量高的原子就会逐渐从井沿逃逸掉，原子就慢慢冷却了。当然，这个过程是很慢的，如果我们将井的高度降低，冷却的速度就会加快。实际上，在进行费米子凝聚实验时，研究者正是通过逐渐降低“井”的“高度”来加快冷却速度的。当然，这个速度必须很好地加以控制。因为速度太快，最终达到费米子凝聚态的原子就会太少。通过仔细控制速度，人们就可以在比较短的时间里使大多数原子达到费米子凝聚态了。目前，从事费米子凝聚态研究的科学家们秉持“大胆假设、小心求证”的科学精神，慎重地向这块未知的科学领域推进。