玻色爱因斯坦凝聚

光脉冲所包含的各光谱成分就不能同步传播
各成分保持同步的位置（光脉冲的位置）就逐渐向后移动。
美国研究小组实现光速60km/h
慢光速的好处
• 模拟黑洞：凝聚体可以在蜗旋状态中产生，此时气体
像流进下水洞的水一样打转。穿过蜗旋的慢光脉冲将会
同气体一起被拖着前进。与黑洞类似。
• 非线性光学：低速的光，只需要很少的光就能产生
V”
自发辐射光子 2
激发的原子 V’
The Royal Swedish Academy of Sciences
Nobel Prize in Physics 1997
has awarded the 1997 Nobel Prize in Physics jointly to:
Steven Chu (朱棣文)
mc
• 多普勒效应：波源与接收器之间存在相对运动时，发射频率与
接受频率不同的现象。
原子共振吸收光波频率
0原子静止时吸收频率
V原子相对光波的速度
原子 V
吸收光子1
V”
自发辐射光子 2
激发的原子 V’
h2 h1 实现原子激光冷却
蓝移 红移
• 在三个互相垂直的方向安置三对相对传播 的激光束, 则形成所谓的“光学粘团”, 它 可以使原子在三维方向上得到冷却。
Stanford University USA
C. Cohen-Tannoudji
Ecole Normale Superieure & College de France France
Williams Phillips
National Institute of Standards & Technology USA
玻色爱因斯坦凝聚
金鑫杰 0720103015
• 基本概念
主要内容
• BEC性质
• 实验的实现
• BEC意义
基本概念
不遵循泡利不相容原理
玻色子
高简并度的粒子体系
超低温下
玻色爱因斯坦凝聚体
• 玻色爱因斯坦凝聚(物质第五态)：建立在粒子的不可分辨
性和粒子的波动性基础上的。
特点：所有的原子都处于相同的量子态，不可区分。
2
m
V T
Probability
0.2
0.0 0
100
200
300
400
Velocity
静磁阱囚禁原子
处于光学粘团的原子 受重力作用而下落
需要一个陷阱， 俘获原子
U u B gF mFuB B
非均匀电磁场B
粒子多极矩u
静磁阱
一对反向连接的 赫姆霍兹线圈
中性原子被囚禁
原子具有 基态磁偶极矩
产生的磁场是封闭的 三维四极磁阱
四根直导线相邻两根导线电流大小相等，方向相反 构成一个横向的磁四极阱。
中心磁场强度不再为零。
时间平均轨道势： 附加一个时变的射频磁场，使磁场零点不再固定， 而是快速转动，中心磁场强度不再为零。
蒸发冷却技术
扫描射频电磁场
Ru原子为例
磁光陷阱
原子密度1011 / cm3
激光冷却
俘获107 个Ru原子
“for development of methods to cool and trap atoms with laser light”
• 激光方向与原子运动 方向相同
• 激光方向与原子运动 方向相反
n
pi 0
i 1
要求系统动量守恒
激光束的散射力对 原子运动起阻尼作用
每次吸收－自发辐射
速度降低V h0
非线性光学现象，可用于超灵敏光学开关。
• 量子计算机： 凝聚体 慢光速
常态 快光速 作为0和1
BEC的其它性质
• 内部无阻力（激光、超导） • 传播电子对波，形成宏观电流，无需电压 • 原子几乎不动（原子钟）
BEC的其它亲戚
• 超流体氦：2.2K He原子BEC 液体流动无粘度 • 超导体：电子对 BEC 无电阻 • 激光：所有光子处于同一量子态 • 激子：空穴－电子对 Cu2O出现短寿命气态凝聚
耦合光束
E h(3 1) 光信息丢失
E h(3 1)
电磁致透明 Na原子云折射率发生急剧变化
光脉冲
E h(3 1)
耦合光束
E h(3 2 )
作用于 Na原子BEC
光脉冲的群速度放慢了
群速度：光的前进速度
光脉冲所包含的光， 其频率分布在一个很小的范围内
每一种光频率不同 折射率不同 光的行进速度不同
多普勒冷却的改进
理论基础：原子具有简单的二能级谱
回到基态
原子吸收光子后自发辐射
落到超精细能级上 （与激发非共振）
补偿这种效应 非均匀磁场产生的能级非均匀塞曼劈裂 无法继续冷却
Biblioteka Baidu
增强共振吸收
冷 热 Vp
1.0
V
0.8
T小 T大
V2
0.6
V
0.4
Vp
2kT m
T
V 2 8kT T
m
V 2 3 3kT T
温度20微开
(去除激光) 原子弹性碰撞速率
急剧地增加 增大约5倍
陷阱存有4×106个原子
四极矩磁场
密度21010 / cm3、温度90微开
蒸发冷却
• 费米态凝聚(物质的第六态)：费米子对就起到了玻色子的
作用，所有气体突然冷凝至玻色－爱因斯坦凝聚态。
6 Li原子
冷却
稳定磁场
费米子结合在一起
40 K原子
冷却
每个K原子 吸引附近原子
磁场变化
形成成对原子
费米子凝聚态
下一代超导体
增大波长
粒子德布罗意波
原子波函数相互重叠
可比拟原子之间距离
(2 2 / mkBT )1/ 2
降低温度T 粒子不可区分
如纳 何开 降量 温级 ？？？？
实验的实现
• 原子预冷却—激光冷却 • 静磁阱囚禁原子 • 蒸发冷却
激光冷却技术
• 激光冷却思想的提出
1975年 Hansch 和 Schawlow
Optics Communication, Vol.13(1975) p.68
原子 V
吸收光子1
冷却
Na原子云
超低温下
第1种状态(基态)
光的冻结
Na原子BEC 每个Na原子处于基态（第一种状态） 价电子自旋与原子核自旋反平行
第2种状态
价电子自旋与原子核自旋取向一致
第3种状态
能量比第2种大30万倍
目的：
冻结E3 E1 h(3 1)的光
E h(3 1)
E h(3 1)
E' h(3 2 )
中心点(Bo =0)附近区域 B 随x, y, z线性增加
一对反接的赫姆霍兹线圈
U=-u B=gFmFuB B 原子受到一个指向中心的力
电流大小相等，方向相反 平行线圈
原子动能不足时， 就囚禁在磁阱中
缺陷：原子经过Bo 0点，
原子出现交叉能级，引起Majorana跃迁，
使原子逃逸出势阱。
改进：两个线圈电流大小相等，方向相同。