第九讲激光冷却和波色爱因斯坦凝聚
超冷原子中的玻色爱因斯坦凝聚研究进展
超冷原子中的玻色爱因斯坦凝聚研究进展超冷原子物理学是一个近年来迅速发展的领域，它的研究对象是经过极度冷却后的原子，通过这种低温状态的原子，科学家们得以观察和研究一些在常规温度下不易观测到的物理现象。
其中，玻色爱因斯坦凝聚是超冷原子物理学中具有重要意义的一种现象。
在本文中，我们将探讨超冷原子中的玻色爱因斯坦凝聚的研究进展。
一、玻色爱因斯坦凝聚的基本原理玻色爱因斯坦凝聚是基于玻色子统计的一种现象，具体指的是在超冷原子的系统中，大量的玻色子通过波色-爱因斯坦凝聚的相变过程，聚集在系统的基态。
这种基态的凝聚使其具有与传统概念不同的量子性质。
玻色爱因斯坦凝聚的概念最早由印度物理学家玻色和爱因斯坦基于统计物理学的理论研究提出，并于1995年由美国物理学家Cornell 和德国物理学家Ketterle在实验上首次实现。
二、实验技术的发展为了实现玻色爱因斯坦凝聚，科学家们采用了一系列的实验技术和方法。
其中最重要的技术包括蒸发冷却技术、磁光陷阱技术和光涡轮技术。
蒸发冷却技术通过逐渐降低原子的温度来实现超冷原子的制备。
科学家们利用光强和磁场的变化，创造出一种能够从原子云中去除高能态原子的机制。
这种机制使得原子系统逐渐冷却，并最终实现玻色爱因斯坦凝聚。
磁光陷阱技术是一种通过磁场和激光束相互作用来操控和限制原子运动的方法。
这种技术结合了磁场和激光束的优势，使得原子能够在一个特定的区域内不断碰撞和冷却，从而实现玻色爱因斯坦凝聚的制备。
光涡轮技术是利用光力学效应来控制原子运动的一种方法。
通过激光的传播，科学家们可以在原子系统中创建旋转的光势阱，从而形成类似于飓风的涡旋结构。
这种涡旋结构对原子的运动具有重要影响，为实现玻色爱因斯坦凝聚提供了一种新的途径。
三、玻色爱因斯坦凝聚的应用玻色爱因斯坦凝聚不仅是一种基础物理现象的研究，同时也具有许多潜在的应用价值。
在超冷原子物理学领域，玻色爱因斯坦凝聚被广泛应用于研究其他物理现象，例如超流和量子震荡等。
激光冷却和波色-爱因斯坦凝聚
不同温度定义
多普勒冷却极限温度 参与冷却激光冷却力与冷却过程中自发辐 射引起的扩散达对原子共同作用到平衡的 结果。
Na 238K Rb 142K Cs 120K
量子反冲极限温度 原子速度分布在一个光子反冲以内，即
k BTrec
k m
2
2
Na Rb Cs
2.4μK 0.37μK 0.20μK
激光冷却和波色-爱因斯 坦凝聚
什么叫激光冷却
利用激光光子和原子间的动量传递,使原子 云(团)的速度分布范围压缩。 利用激光光场 形成的势阱对原子进行捕陷 或囚禁。
温度
温度实际上反映了空气中分子的运动能量的大小， 温度越低，空气分子平均动能越小。 根据气体分子的麦克斯韦分布有
v i2 1 P( v i ) exp 2 2v 2v 0i 0i 偏振梯度冷却源自亚反冲极限冷却
速度选择相干布居数囚禁 原子存在一个与速度有关而与光无关 的黑态，可作为原子的囚禁态 喇曼冷却 利用原子喇曼跃迁，对原子有速度选 择的作用，从而达到冷却原子的目的。
速度选择相干布居数囚禁
对于原子和光场组成的系统， 光场、原子与原子 和光的相互作用的哈密顿算子HA、HL和VAL对于态 组成的基组的总哈密顿量为 k } {| g , p k , | e0 , p , | g , p
激光冷却的应用
原子喷泉 原子干涉仪 原子光刻 原子激光
原子喷泉
原子干涉仪
原子光刻
原子激光
一般转变温度为100nK～2μK，受势阱 情况影响很大，也与阱中原子数和密度 有关；凝聚原子数则从几百到109，原子 密度变化也很大，可高达 1015/cm3。
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）。
第九讲激光冷却和波色爱因斯坦凝聚
激光的多普勒效应
我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成 样品的原子都在作无规则的热运动。当其中某个 原子的运动方向指向激光的光源时，由于多普勒 效应，在这个原子看来激光的频率会略高一些。 因为我们把激光的频率调在略低于 0 ，多普勒 效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频 率正好等于 0 。 这样，这个原子就有可能吸收激光的能量。在它 吸收能量时，它同时也获得了动量。由于激光传 播的方向与原子运动的方向相反，获得的动量将 使原子的运动速度变慢。
激光冷却的原理
激光冷却涉及到多个物理原理，概括起来主要 有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有 的动量。另外，激光的高度单色性和可调激光 技术也非常重要。 光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方 向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离 光源方向运动，观察到的光的频率将会降低。
原子的能级量子化
各向同性激光辐射与具有热速度分布 原子气体冷却
实验由三对相向、频率满足Δω=ω-ω0 = K · v < 0 ， 即多普勒线型低频端（红移）
激光扫频法：(Frequency Chirping) 基本思想是让冷却 激光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持 共振。 这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。
最近一次达到的最低温度
这个科研小组在新一期美国《科学》杂志 上发表论文介绍说，他们是在利用磁阱技 术实现铯原子的波色-爱因斯坦凝聚态 (BEC)的实验过程中创造这一纪录的。 参与研究的科学家大卫· 普里查德介绍说， 将气体冷却到极端接近绝对零度的条件对 于精确测量具有重要意义，他们的此次实 验成果有助于制造更为精确的原子钟和更 为精确地测定重力等。
超冷原子气体中玻色爱因斯坦凝聚态
超冷原子气体中玻色爱因斯坦凝聚态玻色爱因斯坦凝聚态是指一种奇特的物质状态，在这种状态下，大量的玻色子（具有整数自旋的粒子）聚集在同一个基态中，形成一个宏观量子态。
这种凝聚态最早由爱因斯坦和印度物理学家玻色在1925年预测，因此得名玻色爱因斯坦凝聚态。
近年来，随着技术的进步，科学家们成功地在实验室中制造出了超冷原子气体，并成功地观察到了玻色爱因斯坦凝聚态。
超冷原子气体是指将气体冷却到非常低的温度，接近绝对零度的状态。
在这种极低温的条件下，原子的行为受到量子力学的控制，从而展现出奇特的现象。
玻色爱因斯坦凝聚态的形成需要两个关键条件：低温和玻色统计。
低温是通过激光冷却和磁蚀刀冷却等技术手段实现的。
通过这些方法，科学家们能够将气体冷却到几纳开尔文甚至更低的温度。
而玻色统计则要求原子具有整数自旋，例如，碱金属和碱土金属等原子就符合这个条件。
实验中制造玻色爱因斯坦凝聚态的常用方法是利用磁性外场，通过调节外场的强度和形状，将原子限制在一个能够容纳大量原子的空间中。
在低温下，原子将趋于基态，并以波函数的形式存在。
原子之间的波函数叠加将导致原子聚集在同一个基态中，形成凝聚态。
玻色爱因斯坦凝聚态的发现引起了科学界的广泛关注。
首先，这种凝聚态具有凝聚体系中的长程相干性，即原子的相位呈现全局一致的特点。
这一特性使得玻色爱因斯坦凝聚态成为研究量子力学中基本问题的良好工具，例如超导和超流等现象的研究。
其次，玻色爱因斯坦凝聚态还具有很强的量子性质。
在凝聚态中，原子的运动受到量子力学的约束，原子的波函数会呈现波粒二象性，即既表现出粒子的性质，又表现出波的性质。
这些量子效应的存在使得玻色爱因斯坦凝聚态成为了研究量子信息和量子计算的重要系统。
此外，玻色爱因斯坦凝聚态还具有巨大的应用潜力。
研究人员正在探索利用玻色爱因斯坦凝聚态来实现精确测量、量子传感和量子计算等应用。
例如，利用凝聚态中的超流性质，可以设计出更加敏感的传感器，用于探测微小的物理信号；利用凝聚态中的量子纠缠效应，可以实现更高效的量子计算和通信。
固体物理学基础晶体的玻色爱因斯坦凝聚
固体物理学基础晶体的玻色爱因斯坦凝聚在固体物理学中，玻色爱因斯坦凝聚是一种令人着迷的现象。
玻色爱因斯坦凝聚是指在低温下，玻色子聚集在同一量子态中形成大而稳定的凝聚体的行为。
这一现象的研究对我们理解凝聚态物质的行为和性质有着重要的意义。
本文将介绍玻色爱因斯坦凝聚的基本概念和简单模型，以及其在固体物理学中的应用。
在固体物理学中，玻色爱因斯坦凝聚是指玻色子（具有整数自旋的粒子）在低温下，由于玻色子的全同性质和玻色-爱因斯坦统计的特殊性质，发生自发性的聚集。
这种聚集形成的凝聚体以宏观的量子态存在，它可以被视为一种“巨型波函数”，具有相干性和超流性等特征。
要理解玻色爱因斯坦凝聚的基本概念，我们需要先了解一些背景知识。
首先，玻色子是一类具有整数自旋的量子粒子，与费米子（具有半整数自旋的粒子）相对。
玻色子在相同量子态之间没有排斥作用，这与泡利不相容原理相对应，使得多个玻色子可以处于同一量子态中。
其次，玻色-爱因斯坦统计描述了玻色子的分布情况，与费米-迪拉克统计和玻尔兹曼统计相对应。
玻色-爱因斯坦统计表明，玻色子的分布受到温度和能级的影响，它们趋向于分布在能级最低的状态，即所谓的基态。
在低温和高浓度的条件下，玻色爱因斯坦凝聚可以发生。
当温度趋近绝对零度时，玻色子趋向于占据能级的基态。
在凝聚过程中，大量的玻色子聚集在同一量子态中，形成一个宏观的波函数。
这个波函数的相干性使得凝聚体展现出量子干涉和波动性的行为，而超流性则表示凝聚体在没有粘滞阻力的情况下流动。
玻色爱因斯坦凝聚的研究始于20世纪50年代，当时被称为超流性的新奇现象。
这一现象是由于冷却和限制玻色子的运动，使其能够聚集在同一量子态中。
早期的研究主要集中在超流氦和硷金属等凝聚体中。
直到1995年，德国物理学家沃尔夫拉姆·凯特尔和埃里克·科尔·科隆松成功地在铷原子中实现了玻色爱因斯坦凝聚，引起了广泛的关注。
玻色爱因斯坦凝聚的研究不仅仅局限于气体和液体，而且扩展到了固体物理学的领域。
量子物理实验技术中的冷原子与玻色爱因斯坦凝聚
量子物理实验技术中的冷原子与玻色爱因斯坦凝聚近年来，量子物理实验技术在科学界引起了广泛关注。
其中，冷原子与玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate，简称BEC）作为量子物理实验技术中的重要一环，无疑是这一领域里的明星。
在本文中，将探讨冷原子与BEC技术的背景、原理及其在实验上的应用。
一、冷原子与BEC技术的背景冷原子物理学是在20世纪末兴起的一门研究微观物理现象的学科。
它的出现彻底改变了传统物理学中对气体行为的认识。
在常温常压下，气体分子之间会由于热运动而发生碰撞，导致粒子运动具有一定的随机性。
而在冷原子物理学中，科学家们通过降低气体温度将原子冷却到极低温的状态，使原子的热运动减缓，从而消除了粒子间的碰撞。
这种冷却原子的方法主要有激光冷却、退偏激光冷却和磁致冷等。
BEC的概念最早由爱因斯坦和印度物理学家萨蒂亚恒达·纳特·玛克斯韦尔于1924年提出。
BEC是指在极低温度下，当波长较长的玻色子（像光子、声子等）的粒子数密度超过一定临界值时，粒子会趋向于凝聚到相同的量子态，形成一个群体，表现出典型的波动性质。
BEC的产生需要高度冷却的原子气体，使其达到玻色-爱因斯坦凝聚温度，进而使原子凝聚成一个物质波，并且在超低温下出现量子现象。
这种高度集中的粒子群体为科学家研究量子行为提供了绝佳的实验平台。
二、冷原子与BEC技术的原理冷原子与BEC技术的实现依赖于各种冷却方法，其中最为重要的是激光冷却。
激光冷却利用电磁辐射压力对原子施加反向作用力，使原子动能降低，从而冷却原子气体。
随后，通过磁致冷等方法进一步冷却原子，最终达到BEC的临界温度。
在实验中，冷原子与BEC技术的应用主要可以分为三个方面。
首先是研究量子信息和量子计算。
冷原子的波动性和量子态转变使其成为研究量子信息和量子计算的理想系统。
其次是量子仿真和模拟。
由于量子行为的存在，冷原子可以模拟许多经典和量子系统，这在研究固态材料和高能物理问题上具有重要意义。
波色爱因斯坦凝聚
波色爱因斯坦凝聚Bose-Einstein condensation (BEC)玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在70年前预言的一种新物态。
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(一般是基态)。
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”，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。
这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。
现在全世界已经有数十个室验室实现了8种元素的BEC。
主要是碱金属，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，原子之间以及与器壁之间互相碰撞，其相互作用遵从经典力学定律;低温的原子运动，其相互作用则遵从量子力学定律，由德布洛意波来描述其运动，此时的德布洛意波波长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。
我们知道，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);而费米子具有互相排斥的特性，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，原子中的电子就是典型的费米子。
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。
此时，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。
根据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，此时，物质波之间通过相互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; 当温度为绝对零度时，热运动现象就消失了，原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态。