玻色-爱因斯坦凝聚及其研究进展简述

玻色-爱因斯坦凝聚及其研究进展姓名：于超宇专业班级：201505080226第1章前言玻色-爱因斯坦凝聚实际是一类涉及原子分子物理学、量子光学、统计物理学和凝聚态物理学等相关物理学中许多领域的普通物理现象。1925年爱因斯坦根据玻色能量统计分布规律预言：当玻色系统的温度降低到一定程度，理想的全同玻色子会在动量空间最低能态上聚集，并达到宏观的数量。这就是玻色-爱因斯坦凝聚，而这种宏观数量级的原子凝聚在同一状态可视为一种新物态。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。全世界已经有数十个实验室实现了9种元素的BEC（玻色-爱因斯坦凝聚态）。主要是碱金属，还有氦原子，铬原子和镱原子等。而本论文着手于玻色-爱因斯坦凝聚现象的理论与凝聚态的应用，对当下最新研究进展与研究结果进行文献综述，介绍达成凝聚态的几种方式以及对凝聚态在芯片技术等方面的的应用进行介绍。第2章玻色-爱因斯坦凝聚的研究历史2.1玻色-爱因斯坦凝聚的起源与发展1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念，使得每个光子的能量满足爱因斯坦的光量子假设，也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设，这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了普朗克黑体辐射的半经验公式的问题。可能是当初玻色的论文因没有新结果，遭到退稿的命运。他随后将论文寄给爱因斯坦，爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手这一问题的研究，并于1924和1925年发表两篇文章，将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒)，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变—新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚现象。1938年:FritzLondon提出液氦(He4)超流本质上是量子统计现象，也是一种凝聚行为,并计算出临界温度为3.2K。从此BEC开始受到重视。从那时起,物理学家都希望能在实验上观察到这种物理现象,但由于找不到合适的实验体系和实验技术的限制,玻色-爱因斯坦凝聚的早期实验研究进展缓慢。20世纪90年代以年来,由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文）,Cohen,Phillips)的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。1995年实验观察气相原子的玻色-爱因斯坦凝聚的愿望终于实现了!第一批实现BEC的几个研究小组分别来自美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA)、美国莱斯大学（Bradley小组）、麻省理工学院(MIT)（Davis等人），他们分别独立宣告在实验上观察玻色-爱因斯坦凝聚现象,在物理界引起了强烈反响,是玻色-爱因斯坦凝聚研究历史上的一个重要里程碑。此后，有关BEC的研究迅速发展，观察到了一系列新的现象。如BEC中的相干性、约瑟夫森效应、蜗旋、超冷费米原子气体。其中许多是当年爱因斯坦和玻色未曾想象过的，BEC招致了诸多领域现代物理学家的关注。2.2学术原理考虑由N个全同、近独立的玻色子组成的系统，温度为T、体积为V，为明确起见，假设粒子的自旋为零，根据玻色分布，处在能级为l的粒子数为1akTllle（2-1）由于处在同一能级的粒子数不能取负值，则可知这要求对每一个能级l都要有l，若取最低能级为能量的零点，则有0。化学势又可由l11nVNeVkTll（2-2）确定，为温度T与粒子数密度n=N/V的函数。从式子可看出在粒子数密度n确定的情况下，温度越低化学势μ必然越高。对（1-2）中的求和转换为积分可得0212331)2(h2nedmkT（2-3）由于化学势随着温度升高，所以温度达到一临界温度CT时趋近于-0.此时解得32232)(h612.22nmkTC）（（2-4）将（1-2）求和用积分代换，将在能级0的粒子数密度单独列，则可得到02123301)2(2)(nnedmhTkT（2-5）令kT/x并计算上式第二项得230212330)(1)2(2nCkTTTnedmh当温度接近临界温度CT时，0n接近零，则有宏观数量级粒子处在基态。第3章实现玻色-爱因斯坦凝聚在什么样的条件下，我们得到玻色-爱因斯坦凝聚态呢？根据第二章推导，我们知道形成玻色-爱因斯坦凝聚态需要温度低于特征温度CT，由（1-4）可推得612.2n3（3-1）其中，λ为物质波波长。当温度低于极限温度时，即原子间的距离就会小于物质波长且原子气体的相密度提高到一定的值，我们的原子气体就会实现玻色-爱因斯坦相变。在实验中，如何增加原子相密度、降低原子温度是实现玻色-爱因斯坦凝聚的关键。3.1激光冷却和捕陷原子自玻色-爱因斯坦凝聚现象预言以来，激光捕陷和冷却原子的技术得到了大力发展，该技术在实验中有效地增加了原子相密度、降低了原子温度，使BEC成为了现实。80年代中期，国际上已有几个研究小组提出在用经过冷却后的碱金属原子进行BEC实验中，形成的BEC中的碱金属原子间相互作用很弱。1995年，人们在克服一系列技术难题后，终于实现了碱金属原子87Rb和23Na的BEC。在过去的20多年中，虽然激光捕陷和冷却原子的技术取得了很大发展，它达到了能把碱金属原子的相密度提高l5个数量级，但是这距离实现BEC所需要的值仍小510～610倍。为了实现BEC，美国物理系的维曼小组采用磁势阱捕陷和激光冷却的混合冷却方法使原子的相密度和温度达到了发生BEC的条件,从而实现了玻色-爱因斯坦凝聚。到目前为止，激光冷却和捕陷原子的技术已有30年的发展史。通常，激光作用于原子，使其运动发生变化的过程（如捕陷和冷却）实质上是原子吸收、再发射光子或者是原子发生散射而引起的反冲的过程。1980年的时候，世界上只有几个科学小组在研发该技术，至今，国际上已有100多个研究小组在进行这项工作，这期间，该技术取得了很大的进展，实验中该技术使原子气体的温度降低了5个数量级，从2-10K降低到了7-10K。由于温度越低，原子的运动越慢。因此，实验中，该技术的提高使得气体原子的平均速度从室温下约为每秒几百米降到了实验中每秒几厘米甚至更低，这为我们实现玻色-爱因斯坦凝聚创造了很好的条件。可以说，离开了激光捕陷与冷却技术，实现玻色-爱因斯坦凝聚是不可能做到的。3.2在稀薄碱金属原子气体中实现玻色一爱因斯坦凝聚温度很低的情况下，原子保持气体的状态比较困难，一般以液体状态存在。而实验中为了防止气体液化，我们采用了较难液化的碱性原子铷87Rb和钠23Na进行实验。该实验成功的关键是降低原子温度，提高原子相密度。首先，我们可以应用激光，使原子通过与光子进行动量交换而得到冷却，当原子温度降低到100nK(1nK=10-9K)时，玻色子和那些相互间排斥力很弱的原子的速度将降低到几个毫米／秒，然后想办法将这些得到冷却的原子囚禁起来，比较常用的方法是用磁-光囚禁阱囚禁，该磁阱由磁场和激光组成，这样之后，再想办法使阱中温度达到发生BEC的温度，我们可以再次采用蒸发冷却的办法，同时也可以去除热的原子。实验中，我们还要想办法控制原子。通常，我们控制原子是借助磁-光囚禁阱中的偶极磁场力。可一旦将原子的磁极反转，原子间的相互作用将会成为排斥力，而不是之前的吸引力。为此，我们可以利用射频场使原子磁极的反转得到实现。可是，磁-光囚禁阱中有一点的电磁场为零，若原子到达该位置，那就无法利用该方法改变原子的磁极了。对此，美国的科学家康奈尔使用旋转的磁场装置控制原子的自旋态，该装置能使原子永远达不到磁场为零的位置。于1995年6月，JILA的康奈尔和维曼小组通过在时间平均轨道势(ToP)阱中采用蒸发冷却技术实现了碱金属原子87Rb的BEC。第4章凝聚态的应用玻色-爱因斯坦凝聚态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钻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。4.1原子芯片给芯片表面的金属导线通上一个适度的电流,即可以产生一个有着很大磁场梯度的微型磁阱,这样的磁阱实现了芯片表面的BEC（玻色爱因斯坦凝聚态）利用芯片表面的微型磁阱实现BEC,展现了原子芯片一个潜在的优势:通过芯片表面微细的导线结构设计,可以实现许多很复杂的势场.利用芯片表面的微型磁阱实现BEC,展现了原子芯片一个潜在的优势:通过芯片表面微细的导线结构设计,可以实现许多很复杂的势场.如图4-1中,在实现BEC的C1区域的右方,还有一个可以实现对原子进行传递的“磁传送带”.H‐nsel等人在原子芯片表面实现BEC之外,同时也在芯片表面实现了对BEC的传递,如图4-2所示.在原子芯片表面实现BEC,这在当前集成原子光学领域可以称得上是里程碑性的工作.基于原子芯片的实验设计非常简单和通用,而相应的势场则非常精细,可以预见将来原子芯片中的BEC实验还会取得更多丰硕的成果。图4-1图4-2参考文献[1]何明,王谨,涂鲜花,谌维浩,江开军,周欣,李若虹,李可,詹明生.集成原子光学:原子芯片[J].物理,2003,(06):370-374.[2]谢世标.玻色——爱因斯坦凝聚的研究[J].广西物理,2002,(03):47-50.[3]印建平,王正岭.玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)实验及其最新进展[J].物理学进展,2005,(03):235-257.[4]文林.浅谈统计物理中的玻色-爱因斯坦凝聚现象[J].科技展望,2015,(11):230.[5]王谨,詹明生,高克林.原子的玻色-爱因斯坦凝聚[J].大学物理,1998,(06):34-37+43.[5]汪志诚.热力学·统计物理（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2014.