玻色爱因斯坦凝聚研究进展

i摘要近二十年来，科学家对玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)问题进行了很多实验，就此问题的研究得到了快速发展，并取得了一系列重大的实验进展。本文简单介绍了玻色-爱因斯坦凝聚问题的的起源，重点阐述了玻色-爱因斯坦凝聚的实验成功及其研究进展，并探讨了玻色-爱因斯坦凝聚的潜在应用，展望了其发展前景。关键词：玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)；蒸发、冷却与操控；原子BECiiABSTRACTInthelasttwodecades,scientistscarriedoutmanyexperimentsaboutBose-EinsteinCondensation.ProgresshasbeenachievedontheissueofBose-EinsteinCondensationresearch,andaseriesofsignificantexperimentalprogresshavebeenmade.ThisthesisreviewstheoriginofBoseEinsteincondensationproblem.WefocusontheexperimentalsuccessofBoseEinsteincondensationanditsresearchprogress,discussingthepotentialapplicationofBose-Einsteincondensationandpredictingitsdevelopmentprospect.Keywords:Bose-EinsteinCondensation;Evaporativecoolingandcontrol;AtomicBECiii目录第一章前言....................................................................................................................-1-第二章玻色-爱因斯坦凝聚问题的起源及探索.................................................-2-2.1玻色-爱因斯坦凝聚问题的起源.........................................................................-2-2.2实现玻色一爱因斯坦凝聚的探索......................................................................-2-第三章玻色-爱因斯坦凝聚实验的成功...............................................................-3-3.1实现玻色-爱因斯坦凝聚的技术——激光冷却和捕陷原子.............................-3-3.2在稀薄碱金属原子气体中实现玻色一爱因斯坦凝聚......................................-3-第四章玻色-爱因斯坦凝聚研究进展...................................................................-5-4.1原子BEC.............................................................................................................-5-4.2全光型BEC.......................................................................................................-10-4.3双阱和光晶格中BEC.......................................................................................-11-4.4固体中的BEC...................................................................................................-11-第五章玻色-爱因斯坦凝聚的潜在应用展望..........................错误!未定义书签。5.1原子激光...................................................................................错误!未定义书签。5.2精确测量............................................................................................................-13-5.3芯片技术............................................................................................................-14-5.4探测方面............................................................................................................-14-第六章结语..................................................................................................................-16-参考文献..................................................................................................错误!未定义书签。致谢..................................................................................................错误!未定义书签。-1-第一章前言自然界，有两种基本的粒子。一种是费米子，它是自旋量子数为半整数的粒子，如电子、质子和中子；一种是玻色子，它是自旋量子数为整数的粒子，如光子、处于基态的氢原子和α粒子。两种粒子各具特色，费米子服从泡利不相容原理，即两个或两个以上的费米子不能处于同一状态；而玻色子具有整体性，在足够低的温度下，当原子的运动速度足够慢时，它将聚集在系统的最低能级上，形成高度简并的粒子体系。这种高度简并的粒子体系就是早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在的一种物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚体(Bose-EinsteinCondensation），简称BEC。自此思想提出以后，就引起了物理学界的极大反响。广大物理学工作者纷纷着手实验以寻求看到真实的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。经过大家不懈的奋斗，取得了大量具有深远意义的实验进展。例如早年物理学界的研究成果：1962年，科学家发现超流体（也叫超液体）中没有摩擦；1972年，科学家发现库柏电子对（即由两个费米子结合形成的具有玻色子性质的费米子对）放在超导中没有电阻，这些都使BEC得到了部分实现。对于这些系统来说，它们显得相对复杂。研究其中的玻色-爱因斯坦凝聚态就是很困难。时间过去70年，到了1995年，这一年，科学家们对该现象的研究取得了惊人的进步。在实验中，人们利用碱性原子实现了玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。随后，囚禁，冷却和操控技术得到了大力的应用，这给玻色-爱因斯坦凝聚态的研究增添了活力。可喜的是，在实验研究中，科学家们实现了八种元素的原子BEC。这八种元素分别是：174Yb、133Cs、87Rb、85Rb、41K、23Na、7Li、4He、1H。玻色-爱因斯坦凝聚是非常寻常的物理现象，但是它物理方面的性质却很不寻常。它有很多特殊的物理性质，如：电磁学性质、力学性质、热学性质和光学性质等。玻色-爱因斯坦凝聚是不同于常见的等离子态、气态、液态和固态的一种异常的物质存在的方式。我们对玻色-爱因斯坦凝聚进行的专研在科学上是有着巨大的意义的，在应用上也是价值无穷。首先，我们可以通过对处于玻色-爱因斯坦冷凝态下的物质的性质进行研究来检验自然界的已有的一些规律，探索和发现新的规律。其次，在应用方面，我们在BEC基础上获得原子激光，这将极大提高原子钟精度，使太空航行的定位更加精确。同时，我们若在集成电路中应用原子激光，那么集成电路的密度就会变大很多，这样电脑芯片的运算速度也就相应地变快很多。另外，由于BEC具有很好的相干性，因此我们可以利用凝聚体研制原子干涉仪以精确测量各种势场。此外，在磁传感器及弱磁场的探测方面，BEC也有相关的应用。本文不仅介绍了玻色-爱因斯坦凝聚问题的一些实验操作，也对它的起源进行详细描述，另外讲解了它的形成条件，最重要的是呈现了它的一些相关技术。对玻色-爱因斯坦凝聚问题上的一些应用进行了详细描述，对它的未来应用也进行了大胆的展望。-2-第二章玻色-爱因斯坦凝聚问题的起源及探索2.1玻色-爱因斯坦凝聚问题的起源时间倒流，在1924年6月24日那天，伟大的爱因斯坦收到一篇论文。该文研究了“光子在各能级上的分布”，并借助纯粹统计物理的方法推导出了光子的普朗克分布规律。这篇论文后来成了经典，并在德国引起了轰动。论文的作者是玻色，他是一位印度物理学家，当时正任教于印度达卡大学。对于这篇论文，爱因斯坦盛赞了玻色的才华。他认为玻色对于普朗克公式的推导是一项重大的进步，并有可能对于理想气体量子理论作出贡献。他亲自将玻色的手稿译成德文并推荐到德国的Zeitschriftfurphyski上发表。同时，爱因斯坦在自己的工作中，将玻色的理论推广到全同粒子和全同分子气体，并预言在足够低的温度下，自旋量子数为整数倍的粒子将聚集在系统的最低能级上，形成了高度简并的粒子体系，并以玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-EinsteinCondensation）来命名。BEC就是其英文首字母，同时也是玻色-爱因斯坦凝聚的简称。2.2实现玻色一爱因斯坦凝聚的探索BEC历经了一段相当长的探索过程。自从该理论提出以来，无数科学家对其进行长期深入的探索研究。主要的研究方向便是BEC的实现，另外对其量子统计性质也做了理论研究和实验探究。令人振奋的是，在这两个方面科学家们取得了很大的成功。1938年，有人率先解释了液氦的超流现象，用的理论正是玻色-爱因斯坦凝聚。这位科学家是London，他认为超流就是氦原子的BEC。后来经过大量的实验验证，该系统中强相互作用一直存在，所以，这里的BEC并不是纯的。既然在强相互作用下的BEC并不是纯的，那么有没有可能在弱的相互作用下的玻色气体中实现纯的BEC？带这样的思考，近代物理学家付诸了努力，在实验中氢原子成了首选的对象。因为氢原子的构成比较简单，它是由一个电子和一个质子组成，是一个最简单的玻色原子。后来，有人设想过新的BEC候选者——自旋极化氢原子气体。不过这并没有给实验带来实质的帮助，因为这种气体可能在低温下失效，这是因为氢原子间存在很低的弹射速率。造成这种低速的原因是由于氢原子间存在非常微弱的排斥作用。氢原子的BEC实验一直令人沮丧。到了1980年，人们又找到氧化亚铜中的激子，把它作为BEC的第三重要的候选者。科学家不断努力却一直未能很好地研究它特别的性质。直到1995年，美国的维曼教授与高级学者康奈尔在实验中成功制备了87Rb原子的BEC，该现象持续的时间约为15-20s，相应的相变温度大概是1.7×10-7K。这次实验的成功打开了科学发现与新技术发展的宝库的大门。-3-第三章玻色