Consequences of the Pauli exclusion principle for the Bose-Einstein condensation of atoms a
物理玻色-爱因斯坦凝聚(共38张PPT)

Einstein predicted that if a gas is cooled to very low temperatures, all the atoms should gather in the lowest energy state. Matter waves of the individual atoms then merge into a single wave; indeed, they can be said to "sing in
图片中部的亮点是一团被俘获的冷却 钠原子。研究者们从1978年开始使 用激光冷却原子,当时最低能够到达 40开尔文。而仅仅十年之后他们就到 达这一记录的百万分之一,该技术的 突飞猛进导致更精确原子钟的产生以 及在极低温下观察到新的超冷物质凝 聚态。
可以用静磁阱来囚禁具有磁偶极矩的中性原子
§4 BEC研究的新进展
知 为T和n的函数。
Predicted 1924.
新领域:非线性原子光学
波长长,频率小,能量小
化学势随温度的降低而升高,当温度降至某一临界温度
Phillips)和斯坦福大学的朱棣文(Steven Chu)首先实现了激光冷却原子的实验,并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。
" Thousands of atoms behave like one big superatom.
玻色-爱因斯坦凝聚
Bose-Einstein Condensation (BEC)
BEC - What is it and where did the idea come from?
BEC in a gas: a new form of matter at the coldest temperatures in the universe...
pauli不相容原理(一)

pauli不相容原理(一)Pauli不相容原理原理介绍•Pauli不相容原理是指同一系统中两个或多个费米子不能处于完全相同的状态。
•费米子指的是具有半整数自旋的粒子,如电子、质子等。
•此原理是量子力学中的重要原理,是导致元素周期表和化学反应等现象的根源。
实际应用•元素周期表中每个元素的化学性质都与其电子数相关,而电子数的限制正是由Pauli不相容原理导致的。
•化学反应中电子的配对、原子轨道的填充等都受到此原理的制约,直接影响反应的成败和产物的稳定性。
相关实验•1932年,费米和狄拉克通过银原子的光谱测量,验证了Pauli不相容原理。
•后来的实验发现,即使是具有不同自旋的费米子,也不能处于完全相同的状态,即“自旋不相容原理”。
应用展望•Pauli不相容原理广泛应用于物理学、化学、材料科学等领域。
•它为元素周期表的发现和化学反应的解释提供了基础。
•在实验室中,利用此原理可实现精确的制备和控制,有望在新材料、量子计算等方面得到应用。
结论•Pauli不相容原理揭示了自然界中粒子之间的相对排斥规律,推动了现代物理学的发展。
•其实际应用广泛,对科学研究和技术创新具有重要意义。
相关争议神经网络中的争议近年来,在神经网络领域的发展中,一些科学家提出了“Pauli不相容原理存在疑问”的观点,认为神经网络中的输入节点可以有多个同时处于激活状态,不存在类似电子的互斥关系。
外星生命中的应用有一种外星生命形式称为费米子树,它们也是费米子,是否会受到Pauli不相容原理影响?•目前来看,尚无确凿证据表明外星生命是否为费米子树或其它费米子形式。
•若其为费米子,并且存在于同一系统中,按照物理规律,那么它们也应该受到Pauli不相容原理的限制。
结语Pauli不相容原理是量子力学中的基本原理之一,对于解释元素周期表、化学反应、物质构成等方面具有重要作用。
在科学研究和应用中,深入理解和应用此原理可以推动技术创新和科学发展。
但也应该认识到,科学研究中的争议和不确定性是正常的,需要通过实验验证和理论证明不断完善和发展。
bose-einstein 凝聚态

“Bose-Einstein凝聚态”是凝聚态物理学中的一个重要概念,它描述了当大量粒子(如原子、分子、离子等)处于相同的量子态时,由于相互作用力的影响,这些粒子会发生集体行为的相变,形成一个整体的量子态。
这个概念最初是由Bose和Einstein在20世纪初提出,以解释统计物理中的一些基本问题。
Bose-Einstein凝聚态在许多领域都有应用,包括量子计算、量子密码学、量子模拟等。
此外,它还可以用于描述物质中的一些特殊现象,如超导电性、自旋冰效应等。
在实验上,Bose-Einstein 凝聚态可以通过利用激光冷却技术和强磁场等特殊实验条件来实现。
值得注意的是,除了直接观测到Bose-Einstein凝聚态之外,还有其他一些方法可以在理论上证明这种凝聚态的存在。
波尔索莫非量子化条件

波尔索莫非量子化条件波尔索莫非量子化条件是量子力学中的一个重要概念,它是描述量子粒子运动规律的一个基础条件。
本文将从以下几个方面介绍波尔索莫非量子化条件。
一、波尔索莫非量子化条件简介波尔索莫非量子化条件是对于能量的量子化现象进行描述的一种方法。
该理论最早由丹麦物理学家波尔和法国物理学家索莫菲提出,因此得名波尔-索莫非量子化条件。
这一理论认为,微观物体在量子化条件下的能量只能是分立的,不能是连续的。
具体而言,当微观粒子产生移动时,会产生谐振运动,而能量也只能以全局整数的方式分割。
二、波尔索莫非量子化条件的推导波尔索莫非量子化条件的推导离不开波尔的氢原子模型和德布罗意物质波假设的基本假设。
在氢原子模型中,电子运动速度越快,能量越高,而根据德布罗意物质波假设,电子在原子内部的运动可以看做是一束波动。
在这样的基础上,波尔首先考虑原子谐振的形式,即以一定频率在某个位置上来回振动的形式。
那么,原子谐振所产生的能量,在量子化状态下就被限制为整数个光子能量,即:E = nhf其中,E为总能量,n为量子数,h为普朗克常数,f为振动频率。
通过将这个公式应用到氢原子上,波尔推导出了氢原子中的能谱,从而得到了波尔-索莫菲量子化条件。
三、波尔索莫非量子化条件的应用波尔索莫非量子化条件对于描述原子的能级结构和能量转移具有极大的重要性。
实际上,绝大多数物质的性质和化学反应都直接或间接与波尔-索莫菲量子化条件有关。
除了在量子力学中的应用外,波尔-索莫非量子化条件在量子计算和量子通信中也得到了广泛应用。
在这些应用中,通过实现原子能级的操纵,可以实现量子比特之间的相互作用,从而可以用更高效的方式解决某些复杂问题。
四、总结波尔索莫非量子化条件是量子力学中的一大重要成果,它描述了微观粒子能量量子化的基本原理和规律。
通过对波尔的氢原子模型和德布罗意物质波假设的基本假设进行推导,可以得到波尔-索莫非量子化条件的基本公式,并可以进一步应用到实际问题中。
玻色因相关物质研究

玻色因相关物质研究
玻色因(Bose-Einstein condensate,简称BEC)是一种量子态,是玻色子(bosons)组成的凝聚态物质,在极低温度下出现的
一种现象。
玻色因的研究起源于印度物理学家萨提扬德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)和爱因斯坦的理论预言。
他们在1920
年提出了玻色子的统计性质,并在1924年独立地预测了玻色-Einstein凝聚的存在。
玻色因研究的突破性进展发生在1995年,当时科学家利用凝
聚态物理学中的冷却技术将钠原子冷却到极低温度,成功地实现了玻色-Einstein凝聚。
这是实验上首次观测到玻色因的存在。
玻色因的研究对于凝聚态物理学和量子力学的理解有很大的意义。
它是量子统计效应的最直接表现,展示了玻色子受到的泡利排斥效应的克服。
玻色因系统具有超流性和凝聚性,其中所有玻色子都处于基态,具有相同的量子态。
研究玻色因的科学家继续探索其性质和应用。
玻色因在原子物理学、凝聚态物理学和量子信息等领域有广泛的应用,例如超导体研究、量子计算、量子模拟和量子光学等。
玻色因的研究也有助于我们更好地理解量子世界和基本粒子的性质。
波色-爱因斯坦凝聚态简介

1924年印度物理学家玻色(Bose)提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念,使得每个光子的能量满足Einstein的光量子假设,也满足Pohl Seidman的最大机率分布统计假设,这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了Planck黑体辐射的半经验公式的问题。可能是当初玻色的论文因没有新结果,遭到退稿的命运。他随后将论文寄给Einstein,Einstein意识到玻色工作的重要性,立即着手这一问题的研究,并于1924和1925年发表两篇文章,将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒),预言当这类原子的温度足够低时,会有相变—新的物质状态产生,所有的原子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(Bose-Einstein condensation)。
从而将原子冷却技术提高到一个新的高度,
此时新的问题有出现了:由于在磁场零点原子出现能级交叉,交叉点上的低速原子将跳到一个非共振的能级上,并从磁-光原子阱中逃逸出来,即使在纯磁场约束的原子阱中,磁场零点的非绝热逃逸导致我们无法持续有效地去观察它在低温情况下的性质。
为了进一步冷却,达到BEC所需温度,JILA小组提出“时间平均轨道势”的方法。他们通过附加一个时变的射频磁场,使得磁场零点不再固定不变,而是绕着原来的零点在平面内快速动,这相当于在底部形成一个快速转动的原子磁阱,当原子以较慢的速度去接近阱底时,将永远也达不到势能零点,这个物理过程的时间平均结果,相当于原子经历一个不再有能级交叉的有效势,对于不同磁量子数的塞曼能级在交叉点的简并被解除了,原子不再从势阱的约束能级跳到一个相当于势垒的非约束能级上去,超低速原子在能级交叉点上的逃逸问题从此得到解决。
Einstein不但开创了这一理论的先河,而且准确的预测了BEC的部分性质,就像在空间的两个点上插了两根标杆,而在前进的进程中有一个巨大的、无法逾越的鸿沟——原子的冷却技术,然后再几十年后后人在不断地探索过程中,终于在鸿沟间搭起了一座连桥——激光冷却技术,从而顺利地跨越过去,向着标杆直跑,并在此过程中取得了累累硕果。但人们在不断向前跑的过程中却发现原来Einstein插得并不是终点的标杆,只是BEC发展过程的一部分而已,如BEC的相干性、约夫莫森效应、涡旋、超冷费米原子气体等问题都是当年Einstein的预测之外的。前进的道路上困难重重,依然有很长的路要走。
玻色爱因斯坦凝聚
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
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
磁陷阱尚有5103个原子 密度31012 / cm3、温度170纳开
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)
每一种光频率不同 折射率不同 光的行进速度不同
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。
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
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=-ugB=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,
出现Ru原子玻色凝聚态现象
Ru原子BEC图像
玻色爱因斯坦凝聚研究进展
玻色爱因斯坦凝聚研究进展玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,简称BEC)是一种量子物理现象,最早由印度物理学家苏蒂斯·玻色(Satyendra Nath Bose)和爱因斯坦在1924年预言。
在一些条件下,一组玻色子(具有整数自旋的粒子)能够凝聚为一个量子态,所有粒子都处在同一个基态中,形成一个宏观的量子态。
在玻色-爱因斯坦凝聚中,粒子的量子性质变得非常显著。
通常情况下,粒子遵循波动方程,其行为可以由经典波动模型所描述。
然而,在准确的低温条件下,当粒子的波长比粒子之间的距离大得多时,波动性开始显现。
此时,波函数可以描述粒子的位置和动量的不确定性,并且整个系统处于一种相干态。
最早的实验证实了玻色-爱因斯坦凝聚的存在是在1995年由美国科学家埃里克·考伦(Eric Cornell)和卡尔·魏曼(Carl Wieman)以及德国科学家沃尔夫冈·凯特勒(Wolfgang Ketterle)的研究小组在铷原子上实现的。
他们使用冷却技术将铷原子冷却到几乎绝对零度(温度接近绝对零度的冷冻状态)。
在这个极低的温度下,原子的动力学行为可以由玻色-爱因斯坦统计学描述,因此可能形成凝聚态。
他们通过激光冷却和磁场梯度冷却的方法将铷原子冷却到非常低的温度,进而实现了玻色-爱因斯坦凝聚。
自那时以来,关于玻色-爱因斯坦凝聚的研究逐渐深入。
科学家们发现,不仅可以在铷原子上实现玻色-爱因斯坦凝聚,还可以在其他类型的玻色子上实现,包括钠、锂、铯等碱金属原子以及氢气分子和磁光线性晶体等。
在实验研究方面,科学家们还在探索如何调控和操纵凝聚体的性质。
利用电场和磁场的方法,他们可以改变凝聚体的密度和形状,进而改变玻色子之间的相互作用。
他们还通过激光的束缚和操作可以观察和测量凝聚体的运动和行为,甚至可以制备出玻色子的超流体和制造出相干光。
在理论研究方面,科学家们对玻色-爱因斯坦凝聚的性质和行为进行了深入的研究。
波色爱因斯坦凝聚态
浅谈玻色爱因斯坦凝聚态(BEC)玻色爱因斯坦凝聚态(BEC)概念:1924年印度物理学家玻色预言物质新状态的存在,爱因斯坦看到玻色的想法发表论文预言原子温度足够低时,所有原子会突然以可能的最低能态凝聚——玻色爱因斯坦凝聚。
定义:当温度足够低、原子的运动速度足够慢时,会有相变—新的物质状态产生,它们将集聚到能量最低的同一量子态(电子做稳恒的运动,具有完全确定的能量,这种稳恒的运动状态称为量子态)。
简单来说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),物质的第五种状态。
BEC 成为一种特殊的超低温实验平台,用来研究基础原子物理学以及凝聚体的力学,光学,热学,声学和超流体等性质及其物理机制。
玻色爱因斯坦凝聚态(BEC)实现:原子的激光冷却和陷俘,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。
其基本原理是通过原子与光子的动量交换来达到原子冷却的目的,遵循动量守恒定律。
激光冷却后的原子由磁场与激光组成的磁光阱囚禁,磁光阱是一种囚禁中性原子的有效手段。
它由三对两两相互垂直具有特定偏振组态井且负失谐的对射激光束形成的三维空间驻波场和反向亥姆赫兹线圈产生的梯度磁场构成.磁场的零点与光场的中心重合,负失谐的激光对原子产生阻尼力.梯度磁场与激光的偏振相结合产生了对原子的束缚力.这样就在空间对中性原子构成了一个带阻尼作用的简谐势(粒子在某力场中运动,势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小,形如陷阱,称为势阱)。
在囚禁阱的边缘部分,磁场很强,控制原子磁极的射频场的频率很高,通过逐渐降低频率(微波频率)可以将动能比平均动能大很多的原子排出阱外留下动能较小的原子,从而达到蒸发冷却的目的。
玻色爱因斯坦凝聚态(BEC)性质:BEC静态性质:大小10-100um,椭球形,其长短轴比为几到几十,转变温度为100nK 至2uK,受势阱影响大,也与阱中原子数和密度有关,原子密度变化大。
泡利原理的应用
泡利原理的应用什么是泡利原理泡利原理,又称泡利不相容原理,是量子力学中的一项基本原理。
该原理由奥地利物理学家波尔(Wolfgang Pauli)于1925年提出。
泡利原理指出,在一个原子的同一量子体系中,不可能存在完全相同的两个电子。
两个电子必须在至少一个量子数上不同。
泡利原理的应用泡利原理在物理学、化学和材料科学等领域得到了广泛的应用。
以下是一些泡利原理的应用实例:1. 电子结构解释泡利原理解释了原子的电子结构。
根据泡利原理,原子的电子云必须填充不同的能级,且每个能级上的电子数量不能超过一定限制。
这解释了元素的周期表规律以及异构体系的存在。
2. 化学键和分子结构泡利原理对于化学键和分子结构的理解至关重要。
根据泡利原理,分子中的原子必须形成化学键,以达到电子构型的稳定。
不同的原子通过共用电子对或轨道重叠等方式形成化学键。
泡利原理也解释了为什么某些分子无法形成。
3. 材料的电子性质泡利原理对于材料的电子性质有着重要的影响。
在固体中,电子填充不同的能带能量级,并且能带上的电子数量不能超过允许的限制。
这解释了半导体、导体和绝缘体等材料的电导性质。
4. 原子核结构解释泡利原理还解释了原子核中的质子和中子的排布方式。
根据泡利原理,质子和中子必须占据不同的量子态,且每个量子态上的粒子数量有限制。
这解释了原子核的结构和核素的存在。
5. 量子计算和量子信息泡利原理也在量子计算和量子信息领域有着重要的应用。
在量子计算中,泡利原理约束了量子比特的自旋态。
在量子信息中,泡利原理被用于通过量子纠缠实现信息的安全传输。
结论泡利原理作为一项基本原理,对于理解和解释原子、分子和固体等系统的性质起着重要的作用。
在物理学和化学领域,泡利原理的应用无处不在,深刻影响着我们对于自然界的认识和技术的发展。
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a r X i v :c o n d -m a t /0501665v 2 [c o n d -m a t .s t a t -m e c h ] 19 M a y 2005Consequences of the Pauli exclusion principle for the Bose-Einstein condensation of atoms andexcitonsS.M.A.Rombouts,L.Pollet,K.Van Houcke,11UniversiteitGent -UGent,Vakgroep Subatomaire en Stralingsfysica Proeftuinstraat 86,B-9000Gent,Belgium(Dated:February 2,2008)The bosonic atoms used in present day experiments on Bose-Einstein condensation are made up of fermionic electrons and nucleons.In this Letter we demonstrate how the Pauli exclusion principle for these constituents puts an upper limit on the Bose-Einstein-condensed fraction.Detailed numerical results are presented for hy-drogen atoms in a cubic volume and for excitons in semiconductors and semiconductor bilayer systems.The resulting condensate depletion scales differently from what one expects for bosons with a repulsive hard-core interaction.At high densities,Pauli exclusion results in significantly more condensate depletion.These results also shed a new light on the low condensed fraction in liquid helium II.PACS numbers:05.30.Jp,74.20.Fg,71.35.LkRecent experiments with ultracold fermionic gases have demonstrated the gradual crossover between a Bose-Einstein condensate of two-fermion molecules and a BCS-like conden-sate of fermion pairs [1,2,3].Turning this picture around,one might ask to what extent subatomic degrees of freedom play a role in Bose-Einstein condensates of bosonic atoms,because these atoms are made up of fermions:electrons and nucleons.From the energetic point of view there is no effect:subatomic excitation energies greatly exceed the thermal en-ergy scale of Bose-Einstein condensation.Therefore one can safely assume that the subatomic degrees of freedom are com-pletely frozen [4].However,even for a frozen internal struc-ture one has to take into account the correct symmetries:at the level of the many-electron wave function,quantum mechan-ics dictates antisymmetry,which makes that electrons can not overlap.As a consequence,the Pauli principle for the elec-trons limits the available phase space for the bosonic atoms,which can have an influence on the properties of the conden-sate [5,6,7,8,9,10,11].It has been demonstrated before that a condensate of bosons made up of fermions has a maximum occupation number [12].For hydrogen atoms,that number corresponds to a condensate density of the order of 1/(4πa 30),with a 0the Bohr radius.Such high densities are not reached in present day experiments on Bose-Einstein condensates [13].Still,the Pauli principle can have an effect also at lower den-sities,where it leads to condensate depletion.It is generally believed that it is sufficient to model this effect through an ef-fective interaction for the bosons which is strongly repulsive at short distances,like a hard-sphere potential or e.g.the (un-physical)r −12term in the Lennard-Jones potential.The con-densate will be depleted,simply because of the excluded vol-ume.However,the only physical parameter which determines the low-density properties of the condensate is the scattering length.It is demonstrated below that any bosonic interaction with the right scattering length fails to reproduce the Pauli ex-clusion effect at high densities.We show how Pauli exclusion puts an upper bound on the Bose-Einstein condensed fraction of ultracold atomic gases.The bound is made quantitative for hydrogen atoms,through the use of an exactly solvable pair-ing model.The consequences for ultracold alkali gases,ex-citon condensates in semiconductors and liquid helium II are discussed.Following Penrose and Onsager [17],one can define a Bose-Einstein condensate by looking at the one-boson density matrix ρB (r ,r ′)of a many-boson system,ρB (r ,r ′)= ΦB |b †r ′b r |ΦB ,(1)with b †r the operator that creates a boson at position r and ΦBthe many-boson wave function.The system is said to exhibit Bose-Einstein condensation if the one-body density matrix has an eigenvector ψB (r )with an eigenvalue λB of the same order as the total number of bosons,N .The ratio f B =λB /N gives the condensed fraction,and the eigenvector ψB (r )cor-responds to the order parameter of the condensate.Taking into account that atomic bosons are actually made up of fermions,one realizes that the many-boson state |ΦB corresponds at a more microscopic level to a many-fermion wave function |ΦF .For bosons made up of two fermions,the bosonic one-body density matrix of Eq.(1)can be related to the fermionic two-body density matrix.Grouping the fermion pair states in a single coordinate R =(r 1,r 2),one can write the fermionic two-body density matrix as a square matrix ρF (R ,R ′).A Bose-Einstein condensate would show up as an eigenvector ψF (R )of the fermionic two-body density matrix with a macroscopic eigenvalue λF [18].If the bosons cor-respond to strongly bound pairs of fermions,one can expect the bosonic and the fermionic picture of the condensate to be equivalent [5],withψB (r )b †r d r≡ψF (r 1,r 2)a †r 1a †r 2d r 1d r 2,(2)λB =λF .(3)The fermionic model has the Pauli correlations between thefermions taken into account,while the bosonic model does not.Unfortunately,for any realistic model the fermionic many-body problem is too complicated in order to determine ρF (R ,R ′)accurately.2A variational approach is feasible:λF is an eigenvalue of the many-body operatorB †B ,with the operator B †defined asB †=ψF (r 1,r 2)a †r 2a †r 1d r 1d r 2.(4)If one knows the structure of the order parameter ψF of thefermionic pair condensate,one can determine an upper limit for the eigenvalue λF :λF = ΦF |B †B |ΦF <|E P |,(5)where E P is the ground state energy of a fermionic pairing Hamiltonian,H P =−B †B .This Hamiltonian is not meant to be phenomenological,butitis usefulherebecauseitis inte-grable[19]andexactly solvable [20].Therefore,given the pair function ψF (r ),one can determine the ground state en-ergy E P (2N )of H P for 2N fermions,and make a rigorous variational statement about the boson condensed fraction:f B ≤|E P (2N )|4N.At in-termediate densities one can evaluate the exact solution for the ground state energy of H P (see below).Here we consider hydrogen atoms in a cubic volume V with periodic boundaries,because for this case the wave function is known analytically,and therefore we can determine the up-per bound of Eq.(6)easily.At low temperatures and densities,one can expect that the protons and electrons form hydrogen atoms and that all atoms are in a 1s state.Because of transla-tional invariance,the bosonic condensate order parameter will be a uniform function in the center-of-mass coordinate of the atoms.The resulting pair operator can be written asB †=∑kψF (k )a †k ,p a †−k ,e ,(7)where the sum runs over all momentum states allowed by the periodic boundary conditions of the cubic volume V ,with the subscripts p and e distinguishing between protons and elec-trons and ψF (k )the pair wave function in momentum space,ψF (k )=√y i+∑j =i1π+∞q 2dqy i−1.The low densitylimit is obtained by taking the limit Z →0for a fixed number of pairs N .One obtains,for n B a 30≪1,thatf B ≤1−33πmδ(r )∂3√2.(12)The scaling with a power 1/2assures that the variationalbound Eq.(10)is fulfilled.However,one observes that the Bo-goliubov result is fundamentally different from the expression of Eq.(10)because it scales differently.This can be explained by the fact that the ground state wave function is not uniform.In fact,one can expect a higher amplitude for configurations where the bosons are well separated than for configurations where bosons nearly overlap [24].Consequently,it turns out that Pauli blocking is only a second order effect in the low-density limit.The leading order is determined by bosonic many-body physics,which not only tries to avoid overlapping atoms,but also tries to minimize the energy.3The high density limit can bederivedfrom themaximaloccupation numberofthepairstate [12],which for hydro-gen results in f B ≤1e 2γr /a 0−1,with V 0the hydrogen1s binding energy and γa dimensionless parameter propor-tional to the screening constant as defined in the Debeye-H¨u ckel or Thomas-Fermi models.This is a phenomenolog-ical way to take screening into account,which could de-viate from the true microscopic behavior at high densities.The intrinsic wave function in momentum space becomes ψF (k )=n B /n c .The variational boundfor the condensed fraction can be obtained for any density by solving the eigenvalue equations of the pairing Hamiltonian H P with the screened pair structure.Fig.1shows the results for the hydrogen 1s and Hulth´e n 1s intrinsic wave functions.At the resolution of the figure the results for 1000and 2000particles are indistinguishable,meaning that convergence has been reached and that finite-size effects are negligible at theseparticle numbers.The screening effects enhance the conden-sate depletion even more.They become important only when the maximal condensed fraction is lower than 80%,so they are of secondary importance in the high density regime.0.20.40.60.811e-050.00010.0010.010.1 1 10n B a 03hydrogen 1s Hulthen 1s hard spheres FIG.1:Maximal condensed fraction for hydrogen 1s bosons (full line),Hulth´e n 1s bosons (dashed line),and bosonic hard spheres of radius a s (circles),as a function of the density parameter n B a 30.The hydrogen and Hulth´e n curves were calculated for 1000bosons,the hard-sphere results were taken from Ref.[25].The densities where the Pauli effect becomes sizeable are probably out of reach for an ultracold atomic hydrogen gas,because three-body recombination processes would convert the atoms into molecules.However,the same pair structure also applies to Wannier excitons in semiconductors.There the Pauli effect might explain,together with biexciton re-combination,why a clear signal of exciton condensation has not yet been observed in a three-dimensional structure.Bose-Einstein condensation of excitons has been observed in semiconducting bilayers [14].The physics there is ba-sically two-dimensional [15,16].There too the Pauli ef-fect applies.Although an analytical expression for the in-trinsic structure of these excitons is not readily available,one can estimate the Pauli effect by looking at the results of Fig.2for a two-dimensional hydrogen wave function,ψF (k )∝(1+a 2x k 2/4)−3/2and for a Gaussian wave function with the same low-density properties,ψF (k )∝exp (−a 2x k 2/5),with a x the two-dimensional excitonic Bohr radius.If one has to treat more valence electrons independently,then the boson operator corresponds to a three-or higher-body fermion operator instead of a pair operator,and the resulting Hamiltonian −B †B is no longer exactly solvable.Still,one can expect the Pauli principle to have qualitatively the same effect on e.g.4He condensates:the electrons will avoid overlap and hence limit the available phase space for the 4He atoms.A uniform distribution of hard-core bosons can qualitatively explain the reduced condensed fraction in liquid helium II compared to an ultracold low-density Bose gas [17,24].The Pauli blocking of the underlying fermions offers a more microscopic view of this process.Pauli effects40.20.40.60.811e-050.00010.0010.010.1110n B a x22D hydrogen 2D GaussianFIG.2:Maximal condensed fraction for two-dimensional excitons with a hydrogen-like (solid line)or Gaussian (dashed line)intrinsic wave function,as a function of the exciton density parameter n b a 2x .The curves were calculated for 1000excitons.will result in a significant depletion of the condensate at den-sities of the order of 10−3times the close-packing density or higher,and definitely at the density of liquid helium.We have demonstrated here that Pauli blocking of the un-derlying electrons leads to condensate depletion in ultracold atomic gases and in exciton condensates.This effect might be measurable in systems where densities of the order of10−3a −30can be reached,such as Wannier excitons in semi-conductors or 4He films adsorbed on porous Vycor glass [32].This effect depends solely on the symmetry and internal struc-ture of the wave-functions.In the high-density regime,this effect can not be modeled through an effective two-body in-teraction at the bosonic level.Interactions might change the internal wave function of the fermionic pairs.Our calcula-tions based on a screened potential show that the Pauli effect dominates over the interaction effects at densities one or two orders of magnitude below the Mott transition density.The authors wish to thank D.Van Neck,K.Heyde and J.Dukelsky for interesting discussions and suggestions,S.Giorgini for providing details of the hard-sphere calcula-tions,and the Fund for Scientific Research -Flanders (Bel-gium)for financial support.[1]S.Jochim,et al.,Science 302,2101(2003);M.Bartenstein etal.,Phys.Rev.Lett.92,120401(2004).[2]M.Greiner,C.A.Regal,and D.S.Jin,Nature (London)426,537(2003);C.A.Regal,M.Greiner,and D.S.Jin,Phys.Rev.Lett.92,040403,(2004).[3]M.W.Zwierlein 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