玻色愛因斯坦凝聚(BEC)
科學巨匠愛因斯坦在70年前預言的一種新物態。這裡的“凝聚” 與日常生活中的凝聚不同,它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態(一般是基態)。即處於不同狀態的原子“凝聚”到了同一種狀態。形象地說,這就像讓無數原子“齊聲歌唱”,其行為就好像一個波色子的放大,可以想像著給我們理解微觀世界帶來了什麼。這一物質形態具有的奇特性質,在晶片技術、精密測量和納米技術等領域都有美好的套用前景。現在全世界已經有數十個室驗室實現了8種元素的BEC。主要是鹼金屬,還有氦原子和鈣等。
提出的歷史:
1924年印度物理學家玻色提出以不可分辨的n個全同粒子的新觀念,使得每個光子的能量滿足愛因斯坦的光量子假設,也滿足波爾茲曼的最大機率分布統計假設,這個光子理想氣體的觀點可以說是徹底解決了普朗克黑體輻射的半經驗公式的問題。可能是當初玻色的論文因沒有新結果,遭到退稿的命運。他隨後將論文寄給愛因斯坦,愛因斯坦意識到玻色工作的重要性,立即著手這一問題的研究,並於1924和1925年發表兩篇文章,將玻色對光子(粒子數不守恆)的統計方法推廣到原子(粒子數守恆),預言當這類原子的溫度足夠低時,會有相變—新的物質狀態產生,所有的原子會突然聚集在一種儘可能低的能量狀態,這就是我們所說的玻色-愛因斯坦凝聚。
1938: Landau提出液氦(He4)超流本質上是量子統計現象,是BEC的反映, 並計算出臨界溫度為3.2K。從此BEC開始受到重視。從那時起,物理學家都希望能在實驗上觀察到這種物理現象,但由於找不到合適的實驗體系和實驗技術的限制,玻色-愛因斯坦凝聚的早期實驗研究進展緩慢。
20世紀90年代以年來,由於大家所熟知的三位物理學家(Chu(朱棣文), Cohen, Phillips)的傑出工作,雷射冷卻與囚禁中性原子技術得到了極大發展,為玻色-愛因斯坦凝聚奇蹟的實現提供了條件。
1995年實驗觀察氣相原子的玻色-愛因斯坦凝聚的願望終於實現了!第一批實現BEC的幾個研究小組分別來自美國科羅拉多大學實驗天體物理聯合研究所(JILA) 、美國萊斯大學(Bradley小組)、麻省理工學院(MIT)(Davis等人)這三個實驗宣告了實驗觀察玻色-愛因斯坦凝聚的實現,在物理界引起了強烈反響,是玻色-愛因斯坦凝聚研究歷史上的一個重要里程碑.
此後,有關BEC的研究迅速發展,觀察到了一系列新的現象。如BEC中的相干性、約瑟夫森效應、蝸旋、超冷費米原子氣體。其中許多是當年愛因斯坦和玻色未曾想像過的,BEC招致了諸多領域現代物理學家的關注。
美國麻省理工學院(MIT)的Wolfgang Ketterle,科羅拉多大學JILA研究所的Carl Wieman,Eric Cornell,三人因為在實現玻色愛因斯坦凝聚上所作的突出貢獻而獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。