名詞解釋
玻色愛因斯坦冷凝態背景:在2001年諾貝爾物理學獎上提出
為現在世界的第五種物質形態
他們分別為氣體、固體、液體、電漿和1995年剛剛發明的玻色一愛因斯坦冷凝體。
第六種形態為 費密冷凝體
人物:
2001年諾貝爾物理學獎由3位物理學家共享。獲得者為美國科羅拉多大學的埃里克·康奈爾（Eric A.Cornell）教授、美國麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle ）教授和美國科羅拉多大學的卡爾·維曼（Carl E. Wieman）教授，他們的主要研究工作為原子物理領域中的"稀薄鹼性原子氣體的玻色愛因斯坦冷凝態的研究"和"對冷凝物的早期基礎研究工作"。三位獲獎者將均分總數為一千萬瑞典克郎（折合美金約100萬）的諾貝爾物理學獎獎金。三位獲獎者簡歷如下：
埃里克·康奈爾（Eric A. Cornell），40歲，1961年出生於加里佛尼亞，1990年獲得麻省理工學院的物理博士學位，現為美國國家標準技術研究所的資深科學家、科羅拉多大學的教授。
沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle ），44歲，居美德國人， 1957年出生於德國海德堡，1986年獲得德國的物理博士學位，現為美國麻省理工學院的教授。
卡爾·維曼（Carl E. Wieman），50歲，美國人， 1951年出生於俄勒岡州，1977年獲得史丹福大學的物理博士學位，現為美國科羅拉多大學的教授。
具體:玻色愛因斯坦冷凝態
常溫下的氣體原子行為就象檯球一樣，原子之間以及與器壁之間互相碰撞，其相互作用遵從經典力學定律，圖1（a）；低溫的原子運動，其相互作用則遵從量子力學定律，由德布洛意波來描述其運動，此時的德布洛意波波長λdb小於原子之間的距離d，圖1（b），其運動由量子屬性自鏇量子數來決定。我們知道，自鏇量子數為整數的粒子為玻色子，而自鏇量子數為半整數的粒子為費米子。玻色子具有整體特性，在低溫時集聚到能量最低的同一量子態(基態)；而費米子具有互相排斥的特性，它們不能占據同一量子態，因此其它的費米子就得占據能量較高的量子態，原子中的電子就是典型的費米子。早在1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預言存在另外的一種物質狀態---玻色愛因斯坦冷凝態，即當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態。此時，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質。根據量子力學中的德布洛意關係，λdb=h/p。粒子的運動速度越慢（溫度越低），其物質波的波長就越長。當溫度足夠低時，原子的德布洛意波長與原子之間的距離在同一量級上，此時，物質波之間通過相互作用而達到完全相同的狀態，其性質由一個原子的波函式即可描述，圖1（c）
；當溫度為絕對零度時，熱運動現象就消失了，原子處於理想的玻色愛因斯坦冷凝態【1】，圖1（d）。
在理論提出70年之後，2001年的諾貝爾物理學獎獲得者就從實驗上實現了這一現象（在1995年）。實驗是利用鹼性原子實現的，鹼性原子形成的冷凝態，是一種純粹的玻色愛因斯坦冷凝態，因此可以對玻色愛因斯坦冷凝態現象進行充分的研究。前些年的物理研究也部分的實現了玻色愛因斯坦冷凝態，例如超導中的庫泊電子對無電阻現象，超流體中的無摩擦現象，但其系統特別複雜，難以對玻色愛因斯坦冷凝態現象進行充分的研究。（它們也是獲得諾貝爾物理學獎的研究成果，超流
體中的無摩擦現象1962年，超導中的庫泊電子對無電阻現象1972年。）
鹼性原子的玻色愛因斯坦冷凝態的實現
我們知道原子氣體在低溫時容易形成液體，利用鹼性原子銣87Rb 和鈉23Na可以避免液體的形成。兩種原子都具有整數的自鏇量子數和弱的排斥力，實驗中原子的速度只有幾個毫米/秒，這對應的溫度為100 nK（1 nK =10的-9次方K）。這極低的溫度是用雷射冷卻的辦法（1997年的諾貝爾物理學獎成果）來達到的【2】。其基本原理是通過原子與光子的動量交換來達到冷卻原子的目的，冷卻後的原子由磁場與雷射組成的磁-光囚禁阱囚禁，然後在囚禁阱中繼續用蒸發冷卻的辦法達到所需要的溫度，即把熱的原子蒸發掉。在囚禁阱的邊緣部分，磁場很強，控制原子磁極的射頻場的頻率很高，通過逐漸的降低頻率可以把溫度高的原子排出阱外，從而達到冷卻的目的。道理就象茶在茶杯中變涼一樣。在磁-光囚禁阱中原子是靠偶極磁場力來約束的，如果原子的磁極發生反轉，就會使吸引力變為排斥力，因此需要用射頻場來控制原子磁極的反轉。但是在囚禁阱的中心電磁場為零，這就不能控制原子自鏇態（磁極）的變化。為此，埃里克·康奈爾採用鏇轉磁場裝置使原子始終不能達到磁
場為零的位置，以達到控制原子自鏇態的的目的【3】，從而在1995年的6月實現了87Rb的玻色愛因斯坦冷凝態。
JILA研究組的銣原子玻色愛因斯坦冷凝態
科羅拉多大學JILA研究組的實驗結果顯示，囚禁阱中排出的原子云形成玻色愛因斯坦冷凝態的過程俯視圖，左下圖為側視圖。圖形為吸收圖，通過共振雷射照射原子云而用CCD攝取原子云的陰影（下同）。第一個圖為玻色愛因斯坦冷凝態形成之前，第二個圖為玻色愛因斯坦冷凝態形成之中，背景為熱運動，第三個圖為幾乎所有的原子都形成了玻色愛因斯坦冷凝態，熱運動背景為球形對稱的。右邊的圖形顯示隨著溫度的降低，更多的原子蒸發了。
實驗圖是通過從囚禁阱中排出原子云後利用共振光的陰影形成的，形成圖形的大小取決於原子從囚禁阱中排出時動量的大小，實驗中熱運動背景為球形對稱的，而玻色愛因斯坦冷凝態的峰圖反映了代表動量的波函式是不對稱的，這和當前的玻色愛因斯坦冷凝態理論是一致的。
因為實驗是破壞性的，因此就要求有很好的可重複性。MIT的沃爾夫岡·克特勒從1990年開始也在沿著上述方法用鈉原子來獨立的做此研究，所不同的是，他採用強雷射束來阻止原子進入囚禁阱中心磁場為零的區域【4】。沃爾夫岡·克特勒的實驗成功僅落後於卡爾·維曼和埃里克·康奈爾幾個月的時間，而且實驗結果相當的精彩，形成玻色愛因斯坦冷凝態的原子數要高出2個量級，如圖3所示，這為研究玻色愛因斯坦冷凝態的物理性質提供了更大的可能性。左圖為隨著溫度的降低玻色愛因斯坦冷凝態的密度增長過程，圖形寬度為1.0mm，冷凝態中的原子數為7×10的5次方。右圖為玻色愛因斯坦冷凝態形成過程中密度變化數據，為了清楚，上面的四條曲線是從下面移上去的。
MIT研究組的納原子玻色愛因斯坦冷凝態
兩個研究小組的實驗都很好的證實了理論上對囚禁冷凝態基本性質的計算。JILA研究組通過冷卻兩部分樣品的其中之一，然後通過它與另外的樣品進行碰撞而達到冷卻的目的，從而形成了兩部分冷凝態，用實驗證實了理論預言現象。MIT小組的非共振光成像方法實現了冷凝態的無損壞探測，可以對冷凝態與時間的關係進行直接的動力學觀測。
玻色愛因斯坦冷凝態間的干涉現象
相位關聯是玻色愛因斯坦冷凝態的一個重要的物理性質，MIT小組通過把冷凝態分為兩部分而觀察到了它們之間的干涉圖樣,證明了相位關聯現象的存在。
MIT研究組的納原子玻色愛因斯坦冷凝態的干涉現象
在兩部分冷凝態之間的干涉實驗中，用雷射束對原子的排斥力將冷凝態分為兩部分，冷凝態被分為兩部分之後被排出阱外在引力場中自由下落，40毫秒之後，兩部分相位相關的原子云在下落過程中互相擴大到一起，因為它們之間的相位是一致的，故在原子云疊加的區域出現了干涉現象。圖中的干涉圖是雷射吸收圖，圖形寬度為1.1毫米，干涉圖形的條紋間距為15微米，這對應著非常大的物質波長，常溫下的原子德布洛意波長只有0.05納米，小於原子的尺度。因此這是一個重要的冷凝 態相位相關現象。
原子雷射"的實現
為了利用相位一致的原子云，就必須把它排出阱外而不損壞它的量子力學性質，MIT研究小組在實驗上實現了這一目的【5】。從冷凝態中可以得到原子脈衝，因為冷凝態的相位一致性，這些從冷凝態出來的原子脈衝仍然保持此特性，就象從雷射器中發出的光子一樣，因此，這種現象稱為"原子雷射"， "原子雷射"就是能夠產生大量相位一致的原子束，像雷射中的光子束一樣。大量的相位一致的原子在囚禁阱中產生（玻色愛因斯坦冷凝態），然後通過輸出裝置把原子束從阱中排出。
"原子雷射"
JILA研究組還研究了冷凝態渦流的形成和集體激發等方面的物理特性，MIT研究組還進一步發展了冷凝態的無損壞成像技術使得多次測量成為可能；觀測到了對冷凝態特性有重要影響的原子間作用力的磁場依賴性；另外還觀測到了"原子雷射"有與普通雷射相似的增益現象。
標記注釋:
【1】. Dallin S.Durfee and W.Ketterle, Optics Express Vol. 2, 299(1998)
【2】. C. Monroe, W. Swann, H. Robinson and C. Wieman, Phys. Rev. Lett. 65, 1571(1990)
【3】. W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74,3352 (1995)
【4】. K. B. Davis, M.-O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D. S. Durfee, D. M.Kurn and W. Ketterle, Phys. Rev. Lett. 75, 3969 (1995)
【5】. M.-O. Mewes, M. R. Andrews, D.-M. Kurn, D. S. Durfee, C. G. Townsend and W.Ketterle, Phys. Rev. Lett. 78, 582 (1997)
另外:
JILA是天體物理實驗室聯合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）的縮寫，是美國標準技術局與科羅拉多大學的聯合研究所；MIT為美國麻省理工學院。
