玻色-爱因斯坦应用前景

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玻色-爱因斯坦凝聚的应用和研究前景BEC的实现,提供了在体系基态上宏观布居的样品原子,其物质波可由单一的宏观波函数来描述.利用特定手段从阱中相干输出的原子的运动行为将服从单模波动方程的描述.近期最引人注目的成就是“原子激光”的问世,也就是类似激光的相干原子束输出.由于用来产生玻色一爱因斯坦凝聚的碱金属原子内部的基态包含有多个磁子能级,只有处于磁量子数负最大的磁子能级上的原子才能被静磁阱囚禁并形成凝聚,如果此时对凝聚态原子施加一个射频脉冲,使原子发生磁共振,原子将跃迁到非囚禁态的子能级上,那些处于非囚禁态的原子会受到静磁势的排斥作用加速离开静磁阱,同时由于重力的作用它们将垂直下落,这一过程可用共振吸收成像技术加以观察.祸合输出的原子数目可以通过改变射频脉冲的强度或持续时间来控制.另外,由于磁势阱只对电子自旋方向与磁场方向一致的原子有囚禁作用,如果改变偏置磁场的方向来控制电子自旋取向与磁场方向的夹角,将有部分原子被排斥离开势阱形成相干输出,输出原子的多少与磁场方向的角度变化有关,在角度变化为180。时,所有原子都被排斥离开势阱,可得到最大数目的原子输出.MIT小组的Ketterle等人在实验上成功地祸合输出了发生玻色凝聚的Na原子,处于F=1,m𝐹=-1子能级上的原子经一个偏振方向垂直于偏置磁场的线偏振射频脉冲作用,跃迁到处于非囚禁态F=1,𝑚𝐹=0,1态上而形成祸合输出,通过持续施加射频脉冲可以获得多个脉冲原子束输出,直至发生凝聚的原子输出完毕.他们获得的输出原子数目与脉冲强度(脉冲持续时间保持不变)的关系曲线展示了BEC原子的Rabi振荡行为,其周期与单原子在相同条件下的周期相一致.他们还从实验上证实了输出的原子束具有相干性:通过在磁阱中心加一束强激光来排斥中心处凝聚态原子(类似于光学塞孔阱),使发生凝聚的原子分为两部分,然后关闭势阱,让两部分原子在真空环境中自由下落扩散,直到又重新重叠发生干涉,出现明暗相间的干涉条纹,正如相干光束所产生条纹一样.由此可以认为祸合输出的玻色凝聚态原子是一种“原子激光”.目前,如何把原子反馈回阱中并连续祸合输出相干原子束是需要进一步研究的问题,同时,由于原子具有静质量和原子间的碰撞,会使原子激光的相干性复杂化原子激光的获得可望有效地提高现有原子钟的准确度相干原子束的平均速度很低,有利于减小与多普勒效应有关的不准确度,同时原子的平均速度低还可以有效地增加其与微波相互作用的时间,压窄谱线的宽度,这对于提高原子钟的准确度是有利的;处于不同内部磁子能级的原子在祸合输出时的运动状态(速度和加速度不一样)不同,可以很容易地选择出极高纯度的内能态处于𝑚𝐹=0磁子能级的相干原子束,减少无用原子贡献的碰撞频移,而且由于同一超精细子能级内的其他磁子能级无原子布居,该体系可以看作理想的二能级体系,不存在邻线牵引和干扰的问题,因此可以取较弱的C场.虽然目前还不清楚原子外部波函数的重叠(这种波函数的重叠也可以理解为一种碰撞效应)会对钟跃迁的频率准确度有多大的影响,但由于原子同时处于非常单纯的外部和内部运动状态,相信对此效应将会有一个比较准确的修正,同时对于由黑体辐射等效应引起的频率不准确度也将会有比较准确的修正.现阶段将原子激光用于原子钟技术还可能存在以下的问题:(1)目前所获得的脉冲原子激光输出的束强很弱,将会严重影响信号的信噪比;(2)产生原子激光输出的时间间隔很长(几十秒直至上千秒),不可能改善原子钟的短期频率稳定度,其短期稳定度只能靠所用晶振或氢钟自身来维持.这些问题还有赖于技术的进步以获得高亮度的连续原子激光来解决.原子激光的另一个可能应用领域是纳米技术.目前,纳米技术是利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜来搬移原子或光刻蚀的方法来产生微小的特征量.由于原子激光可以聚焦并且像普通激光一样准直,因此可望利用原子激光通过适当变换直接形成所需的花样.此外,原子激光具有明显的干涉效应,原子本身又具有非零静质量、有自旋和内能态等特点,因此原子激光还可能极大地提高重力加速度和其他一些物理常数的测量精度.总之,BEC的实现为物理学研究打开了一个崭新的领域,30多年前,当相干光束一激光出现时,人们还很难预料它今天的广泛用途,相信玻色-爱因斯坦凝聚的实现和由此产生的相干原子束即“原子激光”,也将给科学技术带来丰富多彩的应用前景.

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