超流體與玻色-愛因斯坦凝聚

量子化渦旋

/ KWON-tyzed VOR-teks /

拔掉浴缸的塞子,看著水旋成一個小漩渦。旋得越快,中間的凹陷就越陡。在普通水裡,這股旋勁可以是任意強度——溫柔的、猛烈的、其間的任何程度都行。超流體卻嚴苛得多:它一旦打旋,就只許以固定、等同的「份」來旋。

量子化渦旋,就是超流體裡這種被允許的漩渦之一。由於整個液體共享著同一道量子波,繞任一漩渦轉動的「環量」便不能取任意值;它只能是恰好一個量子那麼多,或恰好兩個、三個,其間沒有別的。每個渦旋都是一條細線,一個微小的孔,在那裡超流體本身稀薄到零,而液體以一個精確設定的速率繞著它飛奔。把容器轉得更快,超流體並不會平滑地加速;它反而會冒出更多的渦旋,每一個都帶著同樣標準的一份旋勁。

量子化渦旋之所以重要,是因為它們是液體底下那道量子波的直接、可數的證據,而且會自行排成整齊的點陣,讓研究者拍下照片。一個常見的誤解是把渦旋當成像浴缸下水口那樣的一個表面凹坑;其實這裡真正的要點是量子化——旋勁只以整步出現這件事——而且這是一條嚴格的規則,並非近似。

旋轉一小皿玻色凝聚的原子,會冒出一排整整齊齊的三角形渦旋陣列,每一個都是一股微小的龍捲,帶著恰好相同的一份量子旋勁——加大轉動,你得到的是更多的點,而絕不是更大的點。

轉動中的凝聚體裡布滿了完全相同的量子化渦旋,排成一個點陣。

同樣的量子化也出現在超導體裡,化作磁通渦旋——在那裡,只以固定量子步出現的是磁通量,而非液體的流動。

又稱
quantum vortex量子化涡旋