簡介
玻色-愛因斯坦凝聚態發現史
概念提出
玻色-愛因斯坦凝聚態1938年:FritzLondon提出液氦(He4)超流本質上是量子統計現象，也是一種凝聚行為,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。
凝聚的實現
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），他們分別獨立宣告在實驗上觀察玻色-愛因斯坦凝聚現象,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、蝸鏇、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。
全同粒子
理論的詳解
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；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，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；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。
理論的實現
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。
1995年，麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學波爾德分校（UniversityofColoradoBoulder）的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170nK（1.7乘10的-7次方K）的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，形成一個巨觀的量子狀態。
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
原理
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100nK（1nK=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。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。道理就像茶在茶杯中變涼一樣。
實現方法
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，從而在1995年的6月實現了87Rb的玻色愛因斯坦冷凝態。
JILA
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
研究情況
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，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
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。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。
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。
第五態
如果物質不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如說，接近絕對零度（-273.15℃）吧，在這樣的極低溫下，物質又會出現什麼奇異的狀態呢？
這時，奇蹟出現了——所有的原子似乎都變成了同一個原子，再也分不出你我他了！這就是物質第五態——玻色-愛因斯坦凝聚態（以下簡稱“玻愛凝聚態”——玻色-愛因斯坦凝聚態）
這個新的第五態的發現還得從1924年說起，那一年，年輕的印度物理學家玻色寄給愛因斯坦一篇論文，提出了一種關於原子的新的理論，在傳統理論中，人們假定一個體系中所有的原子（或分子）都是可以辨別的，我們可以給一個原子取名張三，另一個取名李四……，並且不會將張三認成李四，也不會將李四認成張三。然而玻色卻挑戰了上面的假定，認為在原子尺度上我們根本不可能區分兩個同類原子（如兩個氧原子）有什麼不同。
玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視，他將玻色的理論用於原子氣體中，進而推測，在正常溫度下，原子可以處於任何一個能級（能級是指原子的能量像台階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處於這種狀態的大量原子的行為像一個大超級原子。打個比方，練兵場上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”，於是他們迅速集合起來，像一個士兵一樣整齊地向前走去。後來物理界將物質的這一狀態稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態。這就是嶄新的玻愛凝聚態。
然而，實現玻愛凝聚態的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處於氣態。極低溫下的物質如何能保持氣態呢？這實在令無數科學家頭疼不已。
後來物理學家使用稀薄的金屬原子氣體，金屬原子氣體有一個很好的特性：不會因製冷出現液態，更不會高度聚集形成常規的固體。實驗對象找到了，下一步就是創造出可以冷卻到足夠低溫度的條件。由於雷射冷卻技術的發展，人們可以製造出與絕對零度僅僅相差十億分之一度的低溫。並且利用電磁操縱的磁阱技術可以對任意金屬物體實行無觸移動。這樣的實驗系統經過不斷改進，終於在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之後的1995年6月，兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻愛凝聚態。這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎。此後，這個領域經歷著爆發性的發展，世界上己有近30個研究組在稀薄原子氣中實現了玻愛凝聚態。
玻愛凝聚態有很多奇特的性質，請看以下幾個方面：
這些原子組成的集體步調非常一致，因此內部沒有任何阻力。雷射就是光子的玻愛凝聚，在一束細小的雷射里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導和超流也都是玻愛凝聚的結果。
玻愛凝聚態的凝聚效應可以形成一束沿一定方向傳播的巨觀電子對波，這種波帶電，傳播中形成一束巨觀電流而無需電壓。
原子凝聚體中的原子幾乎不動，可以用來設計精確度更高的原子鐘，以套用於太空航行和精確定位等。
玻愛凝聚態的原子物質表現出了光子一樣的特性正是利用這種特性，2001年哈佛大學的兩個研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲存了起來。
玻愛凝聚態的研究也可以延伸到其他領域，例如，利用磁場調控原子之間的相互作用，可以在物質第五態中產生類似於超新星爆發的現象，甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞。
物理學知識2
| 物理學(PHYSICS)是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學，簡稱物理。物理學是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規律性的總結。 |
