玻色_爱因斯坦凝聚的研究

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玻色—爱因斯坦凝聚的研究

玻色—爱因斯坦凝聚的研究

玻色—爱因斯坦凝聚的研究作者:刘漪榕来源:《科技视界》2015年第13期【摘要】本文主要论介绍玻色-爱因斯坦凝聚的由来概念及其形成条件,对国外对其研究动态进行阐述,并对其前景进行展望。

期望通过本文的研究,能够帮助物理爱好者和科研工作者进一步了解玻色-爱因斯坦凝聚,并对其进行进一步研究起到抛砖引玉的效果。

【关键词】玻色-爱因斯坦凝聚;激光冷却;磁陷阱;临界温度1 玻色-爱因斯坦凝聚从何而来在自然界中,按统计性质分类,粒子分为玻色(Bose)子以及费米(Femi)子。

划分原理为其自旋为整整数粒子还是半整数粒子,前者为玻色子,例如光子、费米子以及π介子等,服从于玻色-爱因斯坦统计,而后者为费米子,例如电子、质子、中子等为费米子,服从于费米-狄拉克统计。

与1924年6月24日,作为印度的物理教师-玻色将一份手稿送给爱因斯坦,试图通过假定相空间来脱离经典电动学而对普朗克定律系数8м2/c3、假定基本区域为h3,随后爱因斯坦将其翻译为德文并发表,并将其作为一项重要工作来研究,爱因斯坦在1924年与1925年两年发表了关于玻色的两篇文章,将玻色对光子的统计方法推广到某类原子,在文章中,他对这类原子在足够低的温度下有一定可能性聚集并存在于一种极低的能量状态下,也就是本文研究的标题玻色-爱因斯坦凝聚。

在当时并没有任何一种物理系统认为与其现象有关,直至1938年F.Lmndon指出,超流现象与超导现象可能与玻色-爱因斯坦凝聚有关联,这一猜想引发了物理学术界的思考,从此物理学术界开始对玻色-爱因斯坦凝聚重视起来,并加以研究,但是经发现,超流与超导均是在特殊情况——即在强相互作用体系中,因为在玻色-爱因斯坦凝聚关系中,所涉及的相互作用更为复杂,所以只有在理想状态下或者相对较弱的相互作用下的玻色-爱因斯坦凝聚才能比较同理论,由于环境要求较高,一直未能进行试验证实。

终于,在20世纪80年代,科学技术有了极大了发展进步,玻色-爱因斯坦凝聚终于被科学家们在气体试验中实现,一共历时70年,于1995年,中原子的玻色-爱因斯坦凝聚在实验室被大家所看到,同年7月13日,由美国科罗大多大学与国家标准局合办的实验谈体物理研究所的埃里克.康奈尔,170毫微度的碱金属铷在绝对低温下出现了玻色-爱因斯坦凝聚。

超冷原子体系中的玻色爱因斯坦凝聚研究

超冷原子体系中的玻色爱因斯坦凝聚研究

超冷原子体系中的玻色爱因斯坦凝聚研究超冷原子体系是物理学中的一个重要研究领域,它有助于我们深入理解量子力学和凝聚态物理的本质。

其中,玻色爱因斯坦凝聚是一种引人注目的现象,具有许多独特的性质和应用潜力。

本文将探讨超冷原子体系中的玻色爱因斯坦凝聚的研究进展,并讨论其对物理学和相关领域的影响。

玻色爱因斯坦凝聚是指一群玻色子(即自旋为整数的粒子)在极低温下聚集在量子力学基态的现象。

这种凝聚态物质具有一系列令人惊奇的特性,比如具有相干性和巨观量子性等。

它从理论物理角度来看,是一个具有大量粒子的宏观量子态,从而提供了研究量子统计行为和相干现象的理想平台。

超冷原子体系中的玻色爱因斯坦凝聚的研究始于1995年的麻省理工学院和科罗拉多大学,研究人员通过使用激光冷却和磁隔离技术,将气体原子冷却至非常低的温度,使其达到玻色-爱因斯坦凝聚的条件。

这一突破性实验为玻色爱因斯坦凝聚的研究打开了大门,并使得人们能够探索新物质态的性质以及理解量子多体系统的行为。

随着技术的进步和理论的发展,研究者们取得了许多关于玻色爱因斯坦凝聚的重要发现。

首先,他们发现玻色爱因斯坦凝聚态下的粒子之间存在相干性,也就是说,这些粒子具有相同的相位。

这导致一系列奇特的物理现象,如超流性和凝聚态光学学(BEC光学)等。

此外,研究者还发现,玻色子之间的相互作用可以导致相变,从而在玻色爱因斯坦凝聚态和非凝聚态之间产生转变。

目前,玻色爱因斯坦凝聚已经被广泛研究,并在多个领域得到应用。

在基础物理学方面,玻色爱因斯坦凝聚的研究为我们深入理解量子统计行为和凝聚态物理提供了新途径。

在凝聚态物理学领域,玻色爱因斯坦凝聚经常用于模拟其他物质的行为,比如高温超导体和拓扑绝缘体等。

此外,玻色爱因斯坦凝聚还被应用于制备高精度的惯性测量仪和量子计量学等领域。

然而,玻色爱因斯坦凝聚的研究还存在许多挑战和未解之谜。

其中之一是超冷玻色子体系中的相互作用效应,这对于理解凝聚态物质的行为至关重要。

如何实现玻色—爱因斯坦凝聚

如何实现玻色—爱因斯坦凝聚

玻色—爱因斯坦凝聚的实现摘要:本文说明了玻色—爱因斯坦凝聚的概念,以及研究了如何实现玻色—爱因斯坦。

关键词:玻色—爱因斯坦凝聚,临界温度1、玻色—爱因斯坦凝聚的概念爱因斯坦于1925年在理论上预言:当理想玻色气体的n λ3等于或大于2.612的临界值时将出现独特的玻色—爱因斯坦凝聚现象。

设系统由N 个全同、近独立的玻色子组成,温度为T 、体积为V 。

假设粒子的自旋为零。

根据玻色分布,处在能级εl 的粒子数为:1--=KT l l l e w a με ⑴由于处在任一级的粒子数都不能取负数,以ε0表粒子的最低能级,则从①式可知:ε0>μ ⑵即理想玻色气体的化学势必须低于粒子最低能级的能量。

当取最低能级的能量为零点即 ε0=0,则②式可表示为μ<0 ⑶化学势μ由公式:n VN e w V l KT l l ==∑--11με ⑷ 由④式知,化学势μ为温度T 及粒子数密度n 的函数,而其中ωl 和εl 与温度无关,在粒子数密度n 一定时,温度越低化学势μ越高,④式求和将改为积分:n e d m h KT =-⎰∞-0212331)2(2μεεεπ ⑸ ⒈当温度降到某一临界温度T c 时,μ将趋于-0,此时T>T c ,⑤式变为n e d m hKT =-⎰∞0212331)2(2εεεπ ⑹ 令x=ε/KT c ,⑥式可表为:n e dx x mKT h x =-⎰∞02/12331)2(2π ⑺ 由积分公式:612.22102/1⨯=-⎰∞πx e dx x 得出,当粒子数密度n 一定时,临界温度T c 为: 3/23/22)()612.2(2n mkT c π= ⑻ ⒉当T<T c 时,⑤式改为:n e dx x mKT h T n x =-+⎰∞02/12/3301)2(2)(π ⑼其中第一项n 0(T)是温度为T 时处在能级ε=0的粒子数密度,第二项是处在激发能级 ε>0的粒子数密度n(ε>0)。

两个玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的数值研究

两个玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的数值研究

两个玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的数值研究
两个玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的数值研究
玻色-爱因斯坦凝聚体间的相互作用,是分子物理和分子化学领域的一个重要
课题。

最近,一篇名为“数值研究玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的分子物理学
家和分子化学家”的文章,深入研究了两种玻色-爱因斯坦凝聚体之间的相互作用。

文章首先提出了一种用于研究玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的数值模型。

模型的基础涉及距离依赖的立体角空轨道相交势能,其中单电子偶极交互作用和多电子电子密度作为主要考虑项。

这种方法有助于从分子的实验行为中精确地提取
出潜在的物理机理。

接下来,文章分析了两个玻色-爱因斯坦凝聚体之间作用的结果,包括:(1)
潜在能力曲线;(2)分子轨道聚合结构及其相关约束条件;(3)三体结合电荷补偿,以及(4)单电子偶极交换影响因素。

通过数值研究,文章解释了两个玻色-爱因斯坦凝聚体之间的复杂相互作用过程,得出可以解释实验数据的结果。

文章结论指出,该数值模型可用于解释不同尺度上的非金属凝聚体间相互作用过程及其相关结果,可以作为对分子物理和分子化学领域其它研究工作的重要参考。

本篇文章报道了玻色-爱因斯坦凝聚体间相互作用的一项数值研究。

文章首先
提出了一种数值模型,用于从分子的实验行为中抽取出潜在的物理机理。

然后,文章对两个玻色-爱因斯坦凝聚体之间作用的结果进行了分析,得出可以解释实验数
据的结果,认为这种数值模型可用于解释不同尺度上的非金属凝聚体之间的复杂相互作用过程,为分子物理和分子化学领域提供重要的参考。

波色爱因斯坦凝聚

波色爱因斯坦凝聚

波色-爱因斯坦凝聚玻色-爱因斯坦凝聚。

研究范围:质量不为零,粒子数守恒的波色粒子组成的理想气体。

概念:这种粒子不受泡利不相容原理的限制,当T→0Κ时,几乎所有的玻色子会聚集到能量为0,动量为0的基态,这是并不奇怪的。

令我们感兴趣的是,研究表明,当温度降低到一个有限的低温T(大约为3K)时,就会有宏观数量的波色粒子聚集在基态。

这一情况与蒸汽凝聚有些类似,因而称为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。

历史概况:20世纪头20年,物理学界正在萌发量子力学的新兴学科。

在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子的概念,光的量子被称为光子。

德国物理学家普朗克找到了一个经验公式,很好地符合了黑体辐射观测得到的曲线,但是他当时不能解释这一经验公式的物理含义。

时光推到1924年,当时年仅30岁的玻色,接受了黑体辐射是光子理想气体的观点,他研究了“光子在各能级上的分布”问题,采用计数光子系统所有可能的各种微观状态统计方法,以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式,证明了普朗克公式可以从爱因斯坦气体模型导出。

兴奋之余,他写了一篇题为《普朗克准则和光量子假设》的文章投到英国的《哲学杂志》,但被拒绝了。

不得已,他把那篇只有六页的论文寄给了爱因斯坦,期望爱因斯坦能理解他的发现。

爱因斯坦立即意识到玻色工作的重要性,他亲自将文章翻译成了德文,帮助在《德国物理学报》发表了。

之后,爱因斯坦把波色统计方法推广到静止质量不为零、粒子数不变的系统上,建立了量子统计学中波色—爱因斯坦统计。

爱因斯坦将玻色的理论用于原子气体中,于1924和1925年发表了两篇文章,他推测到,在正常温度下,原子可以处于任何一个能级,但在非常低的温度下,大部分原子会突然跌落到最低的能级上,原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。

后来物理界将这种现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。

在波色之前,传统理论认为一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的,例如我们可以分辨氧原子、氢原子、碳原子。

玻色-爱因斯坦凝聚理论研究

玻色-爱因斯坦凝聚理论研究

南京师范大学泰州学院毕业论文(设计)( 2014 届)题目:__玻色-爱因斯坦凝聚理论研究_院(系、部):信息工程学院____专业:物理学(师范)____姓名:严加林______学号: 12100134 _____指导教师:朱庆利____南京师范大学泰州学院教务处制摘要玻色-爱因斯坦凝聚(玻色—爱因斯坦凝聚)是科学巨匠爱因斯坦在80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。

本文针对玻色-爱因斯坦凝聚这一课题,综述了玻色-爱因斯坦凝聚理论的诞生和发展、概念及其形成条件。

在凝聚体实现发面,随着科学技术的发展,我们实现了玻色-爱因斯坦凝聚。

1995年,随着 JILA 小组、MIT小组、Rice大学的试验成功,玻色-爱因斯坦凝聚到热浪被推上了高潮。

本文中还将介绍一些玻色—爱因斯坦凝聚的实验和国内外的研究动态,最后展望了其发展前景。

关键词:玻色-爱因斯坦凝聚,激光冷却与囚禁,原子激光AbstractBose Einstein condensation (BEC) is a new material predicted by science master Einstein in 80 years ago. Here the "cohesion" is different from condensation in everyday life. It says that different states of atomic suddenly "condensed" to the same state (usually the ground state). In different states of atoms "condensed" to the same state. Figure ground says, this is like so many atomic "sing in union", amplifying its behavior as a boson, you can imagine what brings to our understanding of the microscopic world. According to Bose Einstein condensates of this topic, reviews the Bose Einstein condensates birth and development, theory and its formation conditions. In the realization of yeast aggregates, with the development of science and technology, we realize the Bose Einstein condensation. In 1995, with the test of JILA group, MIT group, Rice University's success, Bose Einstein condensates to heat was pushed to the climax. This paper will also introduce some of Bose Einstein condensation in the experiment and research dynamic status, and its development prospects.Keywords: Bose Einstein condensation, laser cooling and trapping, Atom laser目录摘要 (1)Abstract (II)第一章引言 (1)1.1 冷原子 (1)1.2 玻色-爱因斯坦凝聚 (1)第二章玻色-爱因斯坦凝聚的研究历史 (2)2.1 玻色-爱因斯坦凝聚的诞生 (2)2.2玻色-爱因斯坦凝聚的发展 (2)第三章玻色-爱因斯坦凝聚的概念及形成条件 (5)3.1 玻色-爱因斯坦凝聚的概念 (5)3.2 实现玻色-爱因斯坦凝聚的物理条件 (6)第四章玻色-爱因斯坦凝聚的实验简介 (8)4.1 实现玻色-爱因斯坦凝聚的探索 (8)4.2 Colorado大学的JILA小组的工作 (10)4.3 MIT小组的工作 (10)4.4 Rice大学的工作 (11)4.5 其他小组的工作 (12)第五章玻色-爱因斯坦凝聚的研究动态 (14)4.1 国外动态 (14)4.1 国内动态 (15)第六章玻色-爱因斯坦凝聚的前景展望 (17)结束语 (18)致谢 (19)参考文献 (20)第一章引言1.1冷原子近年来,超冷原子物理学蓬勃的发展起来。

玻色-爱因斯坦凝聚的超快动力学研究

玻色-爱因斯坦凝聚的超快动力学研究

玻色-爱因斯坦凝聚的超快动力学研究玻色-爱因斯坦凝聚的超快动力学研究引言玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,简称BEC)是一种量子现象,在低温条件下,大量玻色子聚集成一个整体,共同处于基态,具有量子统计效应。

自从1995年首次在钠原子中实现BEC以来,BEC已经成为冷原子物理学的热门研究领域。

本文将重点介绍玻色-爱因斯坦凝聚的超快动力学研究。

1. 玻色-爱因斯坦凝聚的起源与性质BEC的概念最早由爱因斯坦于1924年提出,他预言了一种基于波动统计效应的新形态物质。

经过几十年的发展,1995年Cornell 和 Wieman以及Ketterle团队终于分别在钠原子气体和铷原子气体中实现了BEC。

玻色-爱因斯坦凝聚的一个显著特征是凝聚态的宏观量子性质,如超流性和相干性。

2. 玻色-爱因斯坦凝聚的动力学过程玻色-爱因斯坦凝聚的动力学过程包括形成、演化和衰减。

形成过程中,原子被冷却到低温且高密度条件下,经过玻色-爱因斯坦凝聚相变形成凝聚态。

演化过程中,凝聚态系统的时间演化受到外界条件和内部相互作用的影响,研究这种演化对于理解系统的性质和操控有重要意义。

衰减过程中,凝聚态的稳定性受到热和非线性失谐等因素的影响,研究这种衰减可以揭示系统的耗散机制和相干性的损失等现象。

3. 超快动力学研究方法超快动力学研究手段是通过利用超快激光技术,可以实现对凝聚态系统的快速激发和探测。

其中,脉冲激光的瞬态响应可以提供有关凝聚态的丰富信息,包括激发波包传播和扩展的速度、时间尺度等。

同时,通过调制脉冲的时间和强度,可以研究凝聚态的非平衡动力学行为和相互作用效应。

这些超快动力学研究方法在实验和理论上为研究BEC的性质和应用提供了重要的突破口。

4. 超快动力学研究的应用超快动力学研究不仅可以深入了解玻色-爱因斯坦凝聚体系的基本性质,还能为其他领域的研究提供新的思路和方法。

例如,通过超快激光技术可以实现对凝聚态系统的操控,包括精确调控凝聚态的形成、演化和衰减过程,并通过调制超快激光的时域和频域特性,实现对凝聚态相干性和超流性的精确控制。

玻色 爱因斯坦凝聚的动力学

玻色 爱因斯坦凝聚的动力学

玻色爱因斯坦凝聚的动力学
(最新版)
目录
1.玻色 - 爱因斯坦凝聚态简介
2.玻色 - 爱因斯坦凝聚的动力学特点
3.玻色 - 爱因斯坦凝聚的动力学研究意义
正文
一、玻色 - 爱因斯坦凝聚态简介
玻色 - 爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensation, BEC)是指在一定温度和压强下,大量玻色子凝聚到量子态最低的状态。

在这种状态下,大量的玻色子聚集在一个量子态上,形成一个巨大的量子波动。

这种现象最早由爱因斯坦和玻色在 1924 年理论预言,并在 1995 年被实验证实。

二、玻色 - 爱因斯坦凝聚的动力学特点
1.动力学平衡:在玻色 - 爱因斯坦凝聚态中,粒子之间的相互作用和量子波动达到平衡,使得整个系统表现出一种稳定的状态。

2.波函数描述:玻色 - 爱因斯坦凝聚态可以用一个波函数来描述,这个波函数包含了凝聚态中所有粒子的信息。

3.凝聚体的性质:在玻色 - 爱因斯坦凝聚态中,凝聚体具有一些特殊的性质,例如:凝聚体的密度可以无限大,凝聚体的压缩性可以无限大,凝聚体的能量可以无限低等。

三、玻色 - 爱因斯坦凝聚的动力学研究意义
1.基础研究:玻色 - 爱因斯坦凝聚的动力学研究有助于我们深入理解量子力学和统计力学的一些基本原理。

2.应用前景:玻色 - 爱因斯坦凝聚态在量子通信、量子计算、超精密测量等领域具有重要的应用前景。

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玻色———爱因斯坦凝聚的研究谢世标(广西民族学院物理与电子工程系,广西 南宁 530006) 摘 要: 综述了玻色—爱因斯坦凝聚的由来、概念及其形成条件,并介绍了当前国内外玻色—爱因斯坦凝聚研究的动态与进展及其前景展望。

关键词: 玻色—爱因斯坦凝聚;临界温度;激光冷却;磁陷阱中图分类号: O469 文献标识码:A 文章编号:1003-7551(2002)03-0047-041 玻色—爱因斯坦凝聚的由来我们知道,自然界中,粒子按统计性质分为玻色(Bose)子和费米(Fermi)子。

自旋为整数的粒子,如光子、π介子和α粒子是玻色子,玻色子服从玻色—爱因斯坦统计;自旋为半整数的粒子,如电子、质子、中子、μ介子是费米子,费米子服从费米—狄拉克统计。

1924年6月24日,30岁的印度物理教师玻色送一份手稿给爱因斯坦,试图不依赖经典电动力学来推导普朗克(黑体辐射)定律的系数8πν2/c3,办法是假定相空间最基本区域的体积为h3。

爱因斯坦亲自把玻色的手稿译成德文,送去发表,并在文末加注说:“我以为玻色对普朗克公式的推导乃是一项重大进步,所用方法也将导致理想气体的量子理论”。

爱因斯坦意识到玻色工作的重要性,立即着手这一问题的研究。

他于1924年和1925年发表两篇论文,将玻色对光子的统计方法推广到某类原子,并预言当这类原子的温度足够低时,所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态,这就是我们所说的玻色—爱因斯坦凝聚。

但在很长一段时间里,没有任何物理系统认为与玻色—爱因斯坦凝聚现象有关。

直到1938年,伦敦(F.London)指出,超流和超导现象可能是玻色—爱因斯坦凝聚的表现,玻色—爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。

不过这两种现象都发生在强相互作用的体系中。

超流液氦中只有10%的原子凝聚;超导与玻色—爱因斯坦凝聚的关系要经过电子的配对,涉及更复杂的相互作用。

只有近理想或弱相互作用的玻色气体的玻色—爱因斯坦凝聚,才更易于同理论比较,但一直没有实验证实。

在上个世纪五十年代,物理学家发展了很多弱相互作用玻色系统的理论,华人物理学家杨振宁、李政道和黄克逊在这方面做了很出色的工作。

然而这些理论在1995年之前都没有得到很好的验证。

随着实验技术的发展,在上世纪80年代初,物理学家开始了在气体中实现玻色—爱因斯坦凝聚的尝试。

终于在爱因斯坦理论预言之后的70年,于1995年在实验室看到了中性原子的玻色—爱因斯坦凝聚。

7月13日,美国科罗拉多大学和国家标准局合办的实验天体物理研究所发布新闻说:在冷却到绝对温度170nk(毫微度)的碱金属铷(87Rb)蒸气中观察到了玻色—爱因斯坦凝聚。

8月底,休斯顿市Rice大学的一个小组发表文章说在锂(7Li)中看到玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)的迹象。

11月间,麻省理工学院宣布,在钠(23Na)蒸汽中实现了玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)。

为此,科罗拉多大学和国家标准局实验天体物理研究所的美国科学家埃里克・康奈尔、卡尔・维曼和麻省理工学院的德国科学家沃尔夫冈・克特勒获2001年诺贝尔物理学奖。

2 玻色—爱因斯坦凝聚的概念设在体积为V的容器中存在由N个同种玻色粒子组成的理想气体。

理想玻色气体处于热平衡状态3 收稿日期:2002-07-08时服从玻色—爱因斯坦统计。

如果以n (εi )表示热平衡时处于能级εi 的某一量子态中的平均粒子数,则n (εi )可表为n (εi )=1e (εi -μ)/KT -1(1)式中μ为粒子的化学势,对于玻色系统它要满足μ≤0;k 为玻耳兹曼常量。

系统的总粒子数为N =∑i n (εi )=∑i 1e (εi -μ)/KT -1(2)用No 表示处于最低能级(εo =0)的粒子数,用N ′表示处于较高能级中的粒子数,则总粒子数可表为N =N 0+N ′(3)而N 0=G 0e -μ/KT -1(4)其中G 0为ε0=0能级的微观态数,可设G 0=1。

N ′=∑i ≠01e (εi -μ)/KT -1(5)应对εi ≠0的所有微观态求和。

利用(5)式,近似地用积分代替求和,并考虑到函数的单调性可知,在某一特定的温度,N ′有一个上限N max ,则N ′ΦSV 2πmkTh 23/2×2.612=N max (6)式中S 表示粒子的一个空间运动状态对应S 个不同的自旋态,m 为玻色子的质量,h 为普朗克常量。

这个特定的温度称为临界温度,用T C 表示。

当T <T C 时,N ′(T )<N ,其余的N -N ′(T )个粒子都进入到最低能级(ε0=0)中去。

此时可推得图1 粒子数分布与温度的关系N ′=N T T c3/2(7)N 0=N 1-TT c 3/2(8)这个结果表明:当系统的温度低于临界T C 时,粒子将迅速在最低能级集结,使N 0成为与N 可以比拟的量,若T =0,则N 0=N ,即全部粒子都转移到最低能级,如图1所示,这个现象就是玻色—爱因斯坦凝聚。

3 玻色—爱因斯坦凝聚的形成条件当S =1时,由(6)、(7)式得临界温度T C 满足的条件为:T C =h 22πmk n 2.6122/3(9)式中n =N/V 为粒子数密度。

故玻色—爱因斯坦凝聚的形成条件为:T <T C =h 22πmk n 2.6122/3(10)可见,要实现玻色—爱因斯坦凝聚,对于某种玻色子组成的系统,在粒子数密度一定时,就必须降低系统的温度,使得T <T C ,从而使粒子的德布罗意波长(λ=h/(2πmk )1/2)足够长。

研究表明,能否形成玻色—爱因斯坦凝聚还与粒子的波散射长度有关。

正散射长度的粒子可以形成稳定的玻色—爱因斯坦凝聚,而负散射长度的粒子形成玻色—爱因斯坦凝聚的条件较为苛刻。

表1给出几种玻色—爱因斯坦凝聚临界温度T C 的试验数据。

可见,碱金属原子的T C 值在10-6-10-7数量级。

激光冷却和囚禁原子技术的发展,使得实现低温条件成为可能。

表1 几种原子玻色—爱因斯坦凝聚临界温度T C的实验数据87Rb7Li23NaT C(k)117×10-7310×10-7210×10-64 国内外玻色—爱因斯坦凝聚研究的动态与进展前面已说过,早在1924年,爱因斯坦在理论上就预言,当温度足够低时理想玻色子就会出现玻色—爱因斯坦凝聚现象。

此后,许多科学家都想在实验上证实这一预言的存在,但由于当时实验条件和实验技术有限,在爱因斯坦预言后70年内都无法在实验上证实这一点。

到了上世纪80年代末和90年代初,美国国家标准与技术研究所的埃里克・康奈尔博士和科罗拉多大学的卡尔・维曼教授带领一批学生和博士后(称为J I LA小组)从事玻色—爱因斯坦凝聚研究达6年之久,终于在1995年7月,在原子铷的蒸汽中实现了这种凝聚;同年8月,美国Rice大学的Hulet小组报道了在锂原子中观察到了玻色—爱因斯坦凝聚;11月,美国麻省理工学院的K etterle小组又报道了钠原子的玻色—爱因斯坦凝聚结果。

这3个实验可称为玻色—爱因斯坦凝聚研究历史上的重要里程碑。

3个实验各有特点。

J I LA小组的工作最早完成,是首创的。

在他们的实验中原子铷首先被激光冷却,然后载入磁陷阱通过强力蒸发被进一步冷却到创记录的低温(170nk)下,从而获得凝聚物,这正是人们期望已久的新物态—玻色—爱因斯坦凝聚态。

K etterle小组的特点是快速冷却,能在7s内使相空间密度增大6个数量级。

他们的凝聚物中包含着更多的原子,密度超过1014/cm3。

以上两个小组都是在具有正散射长度(α>0)的原子气体中实现玻色—爱因斯坦凝聚的,而Rice 大学的Hulet小组是在具有负散射长度(α<0)的锂原子中找到玻色—爱因斯坦凝聚的证据,这是他们的一大特色。

1995年后,世界上有许多实验室都投入实现玻色—爱因斯坦凝聚的研究。

至今已有近30个研究小组宣称他们实现了玻色—爱因斯坦凝聚(其中包括日本的三个小组)。

其中绝大部分是采用铷原子蒸汽为样品,这是因为铷原子在冷却中涉及的跃迁波长在780mm附近,可采用半导体激光器作为冷却用的激光,运转稳定,实验周期短。

1998年6月,美国麻省理工学院小组实现了氢原子的玻色—爱因斯坦凝聚。

氢原子曾被认为是实现玻色—爱因斯坦凝聚的最理想材料,50年代起就有人提出以它首选。

因为它较轻,在相同的温度下有较长的热波长,容易达到玻色—爱因斯坦凝聚的要求。

但氢原子系统在形成玻色—爱因斯坦凝聚的过程中,由于二体偶极弛豫会随温度的下降而迅速减少系统的原子数,产生一些特殊困难,以致实验上反而落在别的原子系统之后,MIT小组在氢原子中实现玻色—爱因斯坦凝聚,是这一研究中的一大进步。

实验上实现了玻色—爱因斯坦凝聚之后,研究工作朝着两个方向发展。

一方面是继续完善实验技术,实现稳定连续的物质波相干放大输出,以便开发新的应用领域,并完善对凝聚物质的检测手段。

另一方面是关注与玻色—爱因斯坦凝聚相关的基础理论研究。

至今为止,对有关玻色—爱因斯坦凝聚的许多基本问题人们的认识还十分模糊,例如:玻色—爱因斯坦凝聚态是怎么形成的,粒子间的相互作用对玻色—爱因斯坦凝聚的性质是如何影响的,玻色—爱因斯坦凝聚相变的特性如何,玻色—爱因斯坦凝聚的超流性质,它与光的相互作用,它的碰撞特性等等,都还是一个谜。

但有了实验产生的玻色—爱因斯坦凝聚态,就有可能对这些问题进行探索。

实验上的进展是惊人的。

1996年底,MIT小组首先在产生原子相干输出方面取得实质性的进展,尽管还不够完善,但他们开创性的工作表明,最终实现稳定的物质波相干放大输出是完全可能的。

1998年,美国国家标准与技术研究所的一个小组在1997年诺贝尔物理学奖获得者Phillips W D.博士的领导下,成功地研制出世界第一台全可控可调谐物质波激光器,并成功地完成了世界上第一个物质波混频实验。

他们的成果刊登在全球科技界最负盛名的《自然》和《科学》杂志上,引起了很大的轰动。

至于玻色—爱因斯坦凝聚物的检测,目前主要是采用共振吸收成像技术。

但这属于破坏检测,因而寻找非破坏性的检测是今后的一个目标。

有关玻色—爱因斯坦凝聚的理论研究工作是大量而广泛的。

1995年起,有大量文章从各个方面(如系统温度T=0和T>0,基态和激发态,散射长度α>0和α<0,势阱的作用,空间维数的影响,粒子的运动特征等)对玻色—爱因斯坦凝聚现象作了不同的探讨和研究。

由于描述弱相互作用玻色气体的方程在一个非线性薛定谔方程,要求得一个准确的解析解是十分困难的,因而发展了多种近似计算乃至数值计算方法。

膺势法,自洽场方法,高斯变分法,平均场方法,格林函数法,重整化群方法等。

最近,为了进一步了解凝聚体的基本性质,人们又致力于研究其激发性质和相干性质,从而促进了原子物质波量子干涉效应—非线性原子光学的研究。

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