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物理学家在一种超冷气体中创造出费米简并物质，即构成中子星的原料

归根到底，世界是由费米子构成的。人们熟悉的质子和中子是费米子，组成它们的夸克也是费米子。电子的费米子本性是元素周期表结构的基础(从而也是整个化学的基础)。由于1995年科学家取得了一项阶段性成就——在一种稀薄气体中实现了玻色一爱因斯坦凝聚，因而近几年中费米子的亲戚——玻色子受到了很大重视。但现在该轮到费米子大出风头了，因为两位年轻的物理学家——国家标准与技术研究所和博尔德科罗拉多大学的Deborah S．Jin及她的研究生Brian De Marco在0．3微开氏度这一极低温度下创造出了原子“费米简并”物质。

玻色子代表了量子粒子家族集体主义的一面，它们的这一特性在凝聚物中表现得最为明显，此时数百万玻色子聚集在同一精确的量子态中。而费米子却是量子个人主义者——不可能让两个费米子在同一地方处于相同的状态中。因此，费米子(它们以意大利物理学家Enrico Fermi的名字命名)服从泡利不相容原理：有一个粒子存在便不容另一个粒子插足。

用专业术语来说就是，玻色子具有整数值的自旋(即内禀角动量)，而费米子则具有半整数值的自旋，如1／2，3／2等等。但是真正确定这两类粒子量子个性的是它们的群体行为，特别是在极低温度下的行为(此时粒子聚集在最低能态中)。玻色子在被冷却时迅速地成群进入最低能级，而费米子则更象站在一段狭窄楼梯上的一群人，楼梯窄得每一级只容得下一人。随着温度趋近于绝对零度，这些人勉强地把越来越多的较低梯级站满。这种群聚的状态称为费米简并，它对于金属和半导体的电性质起着关键的作用，并且对于使白矮星和中子星稳定而不再坍缩也起着极为重要的作用。

为了创造他们的费米简并系统，Jin和De Marco利用了在磁捕集器中使原子气体蒸发冷却的方法，此方法发展了产生第一批稀薄玻色凝聚物时所使用的技术。Jin所选用的原子是一种比较罕见的同位素钾40。她和De Marco巧妙地利用了此同位素的不同寻常的性质。最重要的是，钾40是费米子，因为它由奇数个更基本的费米子构成，即由40个质子和中子以及19个绕核运动的电子构成。

产生费米简并态比起仅仅使部分费米子进入玻色凝聚态更为困难。费米子比玻色子更难冷却。蒸发冷却法借助于粒子间的碰撞来不断地重新分配它们的能量，同时将最热的粒子移出。但是，在接近量子简并态时，相同的费米子之间几乎不可能发生碰撞。每个量子粒子都与一个波对应：粒子的能量越低，此波的特征波长就越长。不相容原理规定，两个相同的费米子接近的距离不能比这一波长小很多。与人们通常的直观感觉相反，原子的波长越大，它们就越不可能相互碰撞！

为了解决这个粒子不再碰撞的问题，Jin和De Marco设法使他们的原子几乎均等地处于两种略微不同的磁状态中(称为Zeeman状态)。存在着这样两种能够被同时保持在一个磁捕集器中的状态是同位素钾40的另一个关键特征。处于不同Zeeman状态下的两个原子即使在简并区内也可以互相碰撞，因为它们不是全同粒子。这样的混合碰撞使这两类原子能够实现蒸发冷却。实现玻色凝聚的研究工作的开创者之一、麻省理工学院的Daniel Kleppner说：“这真是一个了不起的实验。”

科罗拉多大学的研究小组探测到他们的原子发生简并的几个信号。当温度低于0．3微开氏度时，这些原子的能量比经典物理学所预测的要多，而且速度的分布模式也与经典物理学预测的不同。之所以出现这些情况，是因为当最低的能级被填满后，剩下的原子便只能进入较高的能级。另外一个信号是，在进入简并区后不久，蒸发冷却的作用就显著下降了。

这个新的气体系统为研究费米简并态提供了一个独一无二的实验场所。Kleppner指出：“当玻色凝聚物当初被发现的时候，人人都非常兴奋。但是我认为，那时任何人都没有想到，潘朵拉的盒子正在被我们打开。”他预计，费米气体也将产生新的令人感兴趣的种种现象。

其他一些研究人员也正在研究费米简并性。杜克大学以John E．Thomas为首的研究小组不久前演示了第一种完全以激光为基础的捕集器。这种捕集器可以把超冷原子保持足够长的时间，使其能够进行蒸发冷却。他的研究小组计划用这种方法来冷却同位素锂6的两种状态的混合物(这种混合物无法用磁捕集器保持在一起)。莱斯大学以Randall G．Hulet为首的研究小组则将使用一个磁捕集器来冷却锂6(费米子)和锂7(玻色子)的混合物。Hulet希望，使用一种玻色子一费米子混合物，可以向简并区内推进得更远。

锂6之所以引起人们很大的兴趣，是因为它的原子在超冷温度下互相吸引，而这是形成又一种简并态——库柏成对耦合态——所必需的。(当电子发生库柏成对耦合时，就会产生超导性。)锂6原子将成对结合，变为复合玻色子，通过发生玻色凝聚而克服其组份原子的费米幽闭恐怖症。