BEC

物质的新状态—玻色-爱因斯坦凝聚2001年度过Nobel物理学奖得主何谓玻色—爱因斯坦凝聚（Bose-EinsteinCondensation）？实现BEC的历程实现BEC的条件BEC的研究意义碱金属原子气体凝聚体与4He原子凝聚体的区别■2001年度过Nobel物理学奖得主物质的新状态：BECEinstein:1924年预言2001年物理学奖得主：E.A.Cornell(39岁)andC.E.Wieman(50岁)(美国国家标准技术研究所与科罗拉多大学的联合天体物理研究所）W.Ketterle(43岁)(美国麻省理工学院德裔科学家）1995年，他们三人在《Science》和《PhysicalReviewLetters》上发表论文证实了爱因斯坦的预言，2001年10月9日获奖。■WhatisBEC?●BEC的基本涵义宏观数量的原子处于单个量子态上，已无法区分单个原子，量子态可用单一波函数来描述凝聚原子的量子态，这种现象称为BEC。或在一个临界温度下有宏观的粒子数占据量子力学基态。●热辐射的量子性普朗克：“光量子”爱因斯坦：“量子”（光电效应1921年获得Nobel奖）玻色（印度人）：1924年给爱因斯坦寄去一篇文章，把热辐射视为光子气体，从纯统计的观点得出了某种统计规律（现即玻色统计）。爱因斯坦：将其论文译成德文发表，并着手研究单原子理想气体的量子统计分布。1924和1925年发表了两篇论文推广和发展了玻色的量子统计理论。●粒子数分布Totalparticlenumber:N；体积:V每个能级上占有的粒子数的分布：理想玻色气体：温度较高时：即在一个态上找到多于一个粒子的几率可以忽略，但N不变。,1ig}1]/){exp[(TkgnBiii1in0iinNN0)]/[exp(00TkgNB03/231exp(/),BNNgkTVxezxgxd12012/3T较高时，T较低时，NN0)(2/3zg/2(mean-thermalwave-length)BhmkT(和粒子的德布罗意波长同数量级)max)(,612.222/33/22zgVNmkhTTBcCTT不可能保持N0为小的数,宏观数量的原子处于单一量子态上,此即发生BEC。原子以何种方式相互凝聚在最低能态上?原子以相干方式相互凝聚在最低能态上意义：当时，宏观数量的原子处于单一量子态上，即发生BEC。或原子间的距离足够近，速度足够慢，将发生相变，变成一种新的物质状态。100]1)[exp(limTknB0●相干物质（长程相干物质）1924年，德布罗意：每个原子都可“感觉”到德布罗意波，达到统一步调，各自处于相干状态（该种物质称为相干物质）.,/vphm~,cTT■实现BEC的历程1924年，提出BEC思想。1938年，超流可能具有He原子的BEC特性(F.London）超流的物理特性——BEC？1950年，发现超流He与BEC有一定的联系O.PenroseandL.Onsager认为：8％的原子有BEC特性，原因是，存在很强的相互作用。1952年，超导BCS理论：自旋相反的两电子组成对。单电子：费米-狄拉克统计电子对：与玻色子相似,超导相变与BEC相似超导：强关联玻色系统：无相互作用1960年，激光发明为囚禁和冷却原子提供了新方法1968年，建议用激光来囚禁中性原子（V.S.Letokhov）1970年，用激光压力偏转原子束（US，Bell实验室A.Ashkin)1975年，利用激光冷却原子（US，Haensh,Schawlow)思想方法：利用激光照射原子来降低原子的动能1980年，实验上冷却了钠原子（苏联，V.E.Balykin,V.S.Letokhov;US,W.D.Phillips)1982年，发展了一系列激光冷却气体原子的新方法（W.D.Phillips,朱棣文，Cohen-Tannoudji,1997年获Nobel奖）1986年，用磁光阱（MOT）冷却和囚禁原子（法国，Cohen-Tannoudji的学生J.Dalibard）物理思想：用一对反亥姆霍兹线圈和六束对射圆偏振光束，中性原子被较长时间束缚于其中，可冷却到mK量级。实现：麻省理工学院D.E.Pritchard和朱棣文，在实验上首次实现，这是后来实现BEC的基础。在碱金属原子中实现BEC：1973年，自旋极化H原子在极低温度下仍可保持气体原子状态（原子间的微弱排斥力抵抗范德瓦尔斯力）。H原子气体具有明显的理想气体BEC特征。80年代初：利用H原子实现BEC探索（US，D.Kleppner,荷兰，J.T.M.Walraven)。用一种Ioffe阱的磁阱将H原子剔除出去。留下低动能H原子，故称蒸发冷却。未实现BEC。1990年，利用磁光阱（MOT），对87Rb原子冷却到40（E.A.Cornell,博士后工作项目）1995年,Cornell在原磁阱中加上一个横向旋转的磁场，去除原有的磁场零点，称为“轨道时间平均势法”（TOP），再加上扫频微波，使用“蒸发法”使铷原子冷却到100nK,实现了BEC。170nK开始形成BEC，20nK时，可得很“纯”的BEC，其中原子数约2000左右。KExperimentalsetupforcoolingagasofatomstoBose-Einsteincondensation.Acoldcloudofatomsisconfinedinamagnetictrapandcooledbyevaporativecooling.FlippingtheirspinwithRFradiationevaporatesthehighestenergyparticles.Sincethisprocessreversesthemagneticforce,theseparticlesareexpelledfromthetrappingregion.Fig.3:ObservationofBose-Einsteincondensationbyabsorptionimaging.Shownisabsorptionvs.twospatialdimensions.TheBose-Einsteincondensateischaracterizedbyitsslowexpansionobservedafter6msectimeofflight.Theleftpictureshowsanexpandingcloudcooledtojustabovethetransitionpoint;middle:justafterthecondensateappeared;right:afterfurtherevaporativecoolinghasleftanalmostpurecondensate.Thetotalnumberofsodiumatomsatthephasetransitionisabout7×10-5;thetemperatureTcatthetransitionpointis2ìK.CriterionforBose-Einsteincondensation1990年，MIT的Pritchard小组，尝试对23Na的BEC，至1995年也获得87Rb的BEC。1995年，探索了3Li原子的BEC的可能性。理论认为：原子数小于1400。1997年，获得3Li原子的BEC。原子数约1000与理论一致（Hulet小组）。1998年，H原子的BEC获得成功（MIT，Kleppner小组）2001年，获得亚稳态He原子的BEC（法国，Salmon,Cohen-TannoudjiandAspeet小组）。2001年，用“感应冷却法”实现了K原子的BEC（ModugnoG).至目前：已有10个国家30多个小组获得了BEC。理论机制探索：1997年，MIT的Ketterle小组将玻色凝聚体分成两团，并使其相互重合，能观察到明显的干涉条纹。1999年，单粒子波函数在处于旋转状态时，具有量子化现象——量子涡旋（Vortex)。Cornell,Wieman等在铷原子的BEC中证实。1998年，在实现BEC的条件中，原子间的散射长度起着决定性的作用。理论表明：该长度与作用于原子的磁场有关。在一定的磁场条件下，散射长度可改变符号——Feshbach共振。原子激光器1997年，MIT的Ketterle小组首次将BEC象水流般地从磁阱中输出，形成脉冲状的凝聚体——原子激光。1998年，美国Yale大学铷原子激光器，相干长度500微米。1999年，美国国家标准计量局（NIST）小组实现了高准直的“准连续”的钠原子激光器。1999年，德国Munich小组实现了可连续输出100多毫秒的铷原子激光器。玻色-爱因斯坦凝聚与量子计算机德国科学家在《自然》杂志上发表论文介绍说，通过改变激光束构筑的三维能量点阵中激光的能量，他们首次实现了玻色-爱因斯坦凝聚态下铷原子气体的超流体态与绝缘态的可逆转换。科学家认为这一发现具有重大意义，并可能为量子计算机的研究带来重大突破。大量的铷原子可以成为量子计算机的存储器，如果有两个这样的存储器，利用它们之间的相互作用，就可以实现量子计算。德国科学家的发现，为实现量子计算机这一目标“迈出了第一步”。■实现BEC的条件获得超低温（~100nK）（使德布罗意波足够长）获得高密度（~1012/cm3)(使原子间距离足够近）一定密度下形成BEC的温度为临界温度Tc。■BEC研究意义●我国研究情况：2002年3月19日在稀薄铷原子气体中观察到了BEC，相变温度250nK，凝聚体原子数5×104（总原子数约为5×105），密度1011~1012/cm3。2002年7月13日正式对外宣布实现BEC，成为第十个能实现BEC的国家。完成单位：中科院上海光学精密机械研究所量子光学小组。其他研究单位：北京大学、山西大学、中科院武汉物理与数学研究所●应用BEC相干放大四波混频光速在BEC中急剧减慢或停止利用光子晶体模拟固体效应在BEC中实现了压缩态BEC中约瑟夫森效应的宏观量子特性分子凝聚体的研究分子玻色-爱因斯坦凝聚态奥地利因斯布鲁克大学的研究小组在一个磁场中将费米锂-6原子冷却，产生一个凝聚态，含有超过10万个锂分子，持续了20秒以上（Jochimetal.,Science10.1126/science.1093280）。美国研究小组的工作发表在本期Nature上：美国科罗拉多大学顽石城分校的Greiner等人，用钾-40原子获得了同样的凝聚态。在这一实验中，分子凝聚态完全是通过调整一种超冷费米气体中的相互作用力产生的。●促进相关学科发展超高真空技术（~10-9Pa)激光稳频技术激光频率精密控制技术射频控制技术磁阱技术多路信号时序控制技术提高原子钟的精度推动原子显微镜、原子全息术的发展能以极高的精度将原子沉积于固体表面，导致纳米技术的发展最近，在微磁阱中实现了BEC，表明原子集成电路实现的可能性●BEC相干物质波源原子激光的产生与放大研究非线性原子光学研究凝聚体的涡旋——超流研究在超冷原子中从超流到Mott绝缘体的量子相变相研究实验上模拟白矮星的内部压力■碱金属原子气体凝聚体与4He原子凝聚体的区别4HeII与碱金属BEC体都有超流性4He：T2.17K,比热出现入跃变（二级相变）。TT入：4He为4HeII（超流：无摩擦）TT入：4He为4HeI（正常流体）测量4HeII的超流性方法：用同心圆筒法对4HeII进行旋转，发现有很多涡旋（Vortex)1999年，JILA小组观察到碱金属凝聚体的超流性（superfluidity）即量子涡旋（vortex）的出现，给出类似4HeII的Vortex图象。■不同点★4He凝聚体空间密度分布是均匀的，而碱金属凝聚体是不均匀的（受外势的限制）。★4He中为1/10原子凝聚；而碱金属原子在低温下可以