波色爱因斯坦凝聚

Bose-Einstein condensation (BEC)

玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学大师在70年前预言的一种新物态。那个地址的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同，它表示原先不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态

(一样是基态)。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。

形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就仿佛一个玻色子的放大，能

够想象着给咱们明白得微观世界带来了什么。这一物质形态具有的专门性质，在芯片

技术、周密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。此刻全世界已经有数十个室

验室实现了8种元素的BEC。主若是碱金属，还有氦原子和钙等。

玻色-爱因斯坦冷凝态

常温下的气体原子行为就象台球一样，原子之间和与器壁之间相互碰撞，其彼此作用遵从经典力学定律；低温的原子运动，其彼此作用那么遵从量子力学定律，由德布洛意波来描述其运动，现在的德布洛意波波长λdb小于原子之间的距离d，其运动由量子属性自旋量子数来决定。咱们明白，自旋量子数为整数的粒子为玻色子，而自旋量子数为半整数的粒子为费米子。

玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态)；而具有相互排斥的特性，它们不能占据同一量子态，因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态，原子中的电子确实是典型的费米子。早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态——玻色爱因斯坦冷凝态，即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。现在，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。

依照量子力学中的德布洛意关系，λdb=h/p。粒子的运动速度越慢（温度越低），其物质波的波长就越长。当温度足够低时，原子的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级上，现在，物质波之间通过彼此作用而达到完全相同的状态，其性质由一个原子的波函数即可描述；当温度为时，现象就消失了，原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态。

在理论提出70年以后，2001年的诺贝尔物理学奖取得者就从实验上实现了这一现象（在1995年）。实验是利用碱性原子实现的，碱性原子形成的冷凝态，是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷凝态，因此能够对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。前些年的物理研究也部份的实现了玻色爱因斯坦冷凝态，例如超导中的库泊电子对无电阻现象，超流体中的无摩擦现象，但其系统专门复杂，难以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。

（它们也是取得诺贝尔物理学奖的研究功效，超流体中的无摩擦现象1962年，超导中的库泊电子对无电阻现象1972年。）

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碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态的实现

咱们明白原子气体在低温时容易形成液体，利用碱性原子铷87Rb 和钠23Na能够幸免液体的形成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排斥力，实验中原子的速度只有几个毫米/秒，这对应的温度为100 nK（1 nK =10的-9次方K）。这极低的温度是用激光冷却的方法（1997年的诺贝尔物理学奖功效）来达到的。其大体原理是通过原子与光子的动量互换来达到冷却原子的目的，冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的方法达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部份，磁场很强，操纵原子磁极的射频场的频率很高，通过慢慢的降低频率能够把温度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。道理就象茶在茶杯中变凉一样。

在磁-光囚禁阱中原子是靠偶极磁场力来约束的，若是原子的磁极发生反转，就会使吸引力变成排斥力，因此需要用射频场来操纵原子磁极的反转。可是在囚禁阱的中心电磁场为零，这就不能操纵原子自旋态（磁极）的转变。为此，埃里克·康奈尔采纳旋转磁场装置使原子始终不能达到磁

场为零的位置，以达到操纵原子自旋态的的目的，从而在1995年的6月实现了87Rb的玻色爱因斯坦冷凝态。

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JILA研究组的铷原子玻色爱因斯坦冷凝态

科罗拉多大学JILA研究组的实验结果显示，囚禁阱中排出的原子云形成玻色爱因斯坦冷凝态的进程俯视图，左以下图为侧视图。图形为吸收图，通过共振激光照射原子云而用摄取原子云的阴影（下同）。第一个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之前，第二个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成当中，背景为热运动，第三个图为几乎所有的原子都形成了玻色爱因斯坦冷凝态，热运动背景为球形对称的。右边的图形显示随着温度的降低，更多的原子蒸发了。

实验图是通过从囚禁阱中排出原子云后利用共振光的阴影形成的，形成图形的大小取决于原子从囚禁阱中排出时动量的大小，实验中热运动背景为球形对称的，而玻色爱因斯坦冷凝态的峰图反映了代表动量的波函数是不对称的，这和当前的玻色爱因斯坦冷凝态理论是一致的。

因为实验是破坏性的，因此就要求有专门好的可重复性。MIT的沃尔夫冈·克特勒从1990年开始也在沿着上述方式用钠原子来独立的做此研究，所不同的是，他采纳强激光束来阻止原子进入囚禁阱中心磁场为零的区域[4]。沃尔夫冈·克特勒的实验成功仅掉队于卡尔·维曼和埃里克·康奈尔几个月的时刻，而且实验结果相当的出色，形成玻色爱因斯坦冷凝态的原子数要高出2个量级，如图3所示，这为研究玻色爱因斯坦冷凝态的物理性质提供了更大的可能性。左图为随着温度的降低玻色爱因斯坦冷凝态的密度增加进程，图形宽度为1.0mm，冷凝态中的原子数为7×10的5次方。右图为玻色爱因斯坦冷凝态形成进程中密度转变数据，为了清楚，上面的四条曲线是从下面移上去的。

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MIT研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态

两个研究小组的实验都专门好的证明了理论上对囚禁冷凝态大体性质的计算。JILA研究组通过冷却两部份样品的其中之一，然后通过它与另外的样品进行碰撞而达到冷却的目的，从而形成了两部份冷凝态，用实验证明了理论预言现象。MIT小组的非共振光成像方式实现了冷凝态的无损坏探测，能够对冷凝态与时刻的关系进行直接的动力学观测。

玻色爱因斯坦冷凝态间的干与现象

相位关联是玻色爱因斯坦冷凝态的一个重要的物理性质，MIT小组通过把冷凝态分为两部份而观看到了它们之间的干与图样,证明了相位关联现象的存在。MIT研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态的干与现象在两部份冷凝态之间的干与实验中，用激光束对原子的排斥力将冷凝态分为两部份，冷凝态被分为两部份以后被排出阱外在引力场中自由下落，40毫秒以后，两部份相位相关的原子云在下落进程中相互扩大到一路，因为它们之间的相位是一致的，故在原子云叠加的区域显现了干与现象。图中的干与图是激光吸收图，图形宽度为1.1毫米，干与图形的条纹间距为15微米，这对应着超级大的物质波长，常温下的原子德布洛意波长只有0.05纳米，小于原子的尺度。因此这是一个重要的冷凝态相位相关现象。

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“原子激光”的实现

为了利用相位一致的原子云，就必需把它排出阱外而不损坏它的量子力学性质，MIT研究小组在实验上实现了这一目的。从冷凝态中能够取得原子脉冲，因为冷凝态的相位一致性，这些从冷凝态出来的原子脉冲仍然维持此特性，就象从激光器中发出的光子一样，因此，这种现象称为“原子激光”，“原子激光”确实是能够产生大量相位一致的原子束，像激光中的光子束一样。大量的相位一致的原子在囚禁阱中产生（玻色爱因斯坦冷凝态），然后通过输出装置把原子束从阱中排出。

JILA研究组还研究了冷凝态涡流的形成和集体激发等方面的物理特性，MIT研究组还进一步进展了冷凝态的无损坏成像技术使得多次测量成为可能；观测到了对冷凝态特性有重要阻碍的原子间作使劲的磁场依托性；另外还观测到了“原子激光”有与一般激光相似的增益现象。

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物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态

℃）吧，在如此的极低温下，物质又会显现什么奇异的状态呢？

这时，奇迹显现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这确实是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态（以下简称“玻爱凝聚态”）。玻色-爱因斯坦凝聚态