玻色—爱因斯坦凝聚的研究

【摘 要】本文主要论介绍玻色-爱因斯坦凝聚的由来概念及其形成条件，对国外对其研究动态进行阐述，并对其前景进行展望。期望通过本文的研究，能够帮助物理爱好者和科研工作者进一步了解玻色-爱因斯坦凝聚，并对其进行进一步研究起到抛砖引玉的效果。

【关键词】玻色-爱因斯坦凝聚；激光冷却；磁陷阱；临界温度

1 玻色-爱因斯坦凝聚从何而来

在自然界中，按统计性质分类，粒子分为玻色（Bose）子以及费米（Femi）子。划分原理为其自旋为整整数粒子还是半整数粒子，前者为玻色子，例如光子、费米子以及π介子等，服从于玻色-爱因斯坦统计，而后者为费米子，例如电子、质子、中子等为费米子，服从于费米-狄拉克统计。与1924年6月24日，作为印度的物理教师-玻色将一份手稿送给爱因斯坦，试图通过假定相空间来脱离经典电动学而对普朗克定律系数8м2/c3、假定基本区域为h3，随后爱因斯坦将其翻译为德文并发表，并将其作为一项重要工作来研究，爱因斯坦在1924年与1925年两年发表了关于玻色的两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，在文章中，他对这类原子在足够低的温度下有一定可能性聚集并存在于一种极低的能量状态下，也就是本文研究的标题玻色-爱因斯坦凝聚。在当时并没有任何一种物理系统认为与其现象有关，直至1938年F.Lmndon指出，超流现象与超导现象可能与玻色-爱因斯坦凝聚有关联，这一猜想引发了物理学术界的思考，从此物理学术界开始对玻色-爱因斯坦凝聚重视起来，并加以研究，但是经发现，超流与超导均是在特殊情况——即在强相互作用体系中，因为在玻色-爱因斯坦凝聚关系中，所涉及的相互作用更为复杂，所以只有在理想状态下或者相对较弱的相互作用下的玻色-爱因斯坦凝聚才能比较同理论，由于环境要求较高，一直未能进行试验证实。

终于，在20世纪80年代，科学技术有了极大了发展进步，玻色-爱因斯坦凝聚终于被科学家们在气体试验中实现，一共历时70年，于1995年，中原子的玻色-爱因斯坦凝聚在实验室被大家所看到，同年7月13日，由美国科罗大多大学与国家标准局合办的实验谈体物理研究所的埃里克.康奈尔，170毫微度的碱金属铷在绝对低温下出现了玻色-爱因斯坦凝聚。同年11月麻省理工学院的跌过科学家沃尔夫冈·克特勒在钠蒸汽中发现玻色-爱因斯坦凝聚现象。并与美国科学家埃里克·康奈尔在2001年获得诺贝尔物理学奖。

2 国内外对于玻色-爱因斯坦凝聚的研究的进展和动态

在1924年，爱因斯坦便通过一定的研究从理论层次提出预想，当温度达到了足够低的程度时，理想的玻色子便能够出现玻色-爱因斯坦凝聚的现象。在此之后，许多的科学家便都想通过实验来对这一预想进行证实，然而，年代的技术与条件的限制，使得在此后的70年之内，都并不能够通过实验对爱因斯汤的预想进行验证。直至20世纪80年代末90年代初，美国的卡尔·维曼与埃里克·康奈尔同一批从事这一领域研究的学生组成了JJLA小组来对玻色-爱因斯坦凝聚现象尽心研究，时间长达6年。在1995年的7月，在原子铷的蒸汽之中将该种凝聚进行了实现，同年的8月，Rice大学的Hulet小组通过实验在锂原子之中观察到了玻色-爱因斯坦凝聚的现象，11月，ketterle小组也在钠原子之中观察到了玻色-爱因斯坦凝聚的现象，这三大研究成果，可以称之为在对玻色-爱因斯坦凝聚的研究道路上取得的重大突破。

在1995年之后，全球有许多的专家与该领域的学者都投入到了对其的研究之中，到今天为止，已有30多个的研究小组通过实验证实了玻色-爱因斯坦凝聚的现象。在其中，绝大多数便是将铷原子蒸汽作为研究的样品。在1998年的6月，美国麻省理工大学的研究小组在钠原子之中观察到了玻色-爱因斯坦凝聚的现象，氢原子曾经被当做是对玻色-爱因斯坦凝聚的现象最为理想的研究原子，在50年代便有研究人员以其作为研究的对象，主要由于氢原子体质较轻， 在同样的温度之下其热波长较长，这就比较容易达到玻色-爱因斯坦凝聚现象的要求，然而，氢原子的系统在对玻色-爱因斯坦凝聚现象实现的过程中，由于偶极弛豫会随着温度出现下降而不断地对系统的原子数进行减少，并出现一些特殊的困难，导致了氢原子系统的实验研究落在了别的原子系统试验研究的后面。MIT在氢原子之中实现了玻色-爱因斯坦凝聚现象的研究，这也是该实验研究的一大重要进步。

在对玻色-爱因斯坦凝聚实验进行实现后，该领域的研究工作便开始朝着两个方向发展着，一方便是对当前的实验技术进一步地完善，使得物资波相干放大输出的稳定与连续性能够被实现，便于对新的应用领域进行深度地开发，并且，还能够对物质检测的手段进行完善，另一方面则是对玻色-爱因斯坦凝聚相关的基础理论的研究进行关注。到现在为止，对于玻色-爱因斯坦凝聚之中许多基本的认为研究人员们仍然仅仅有着较为模糊的认识，例如爱因斯坦凝聚态是如何形成的？例子之间的相互作用对于玻色-爱因斯坦的性质是怎样起到影响的？玻色-爱因斯坦凝聚的相变的特性是怎样的？对于玻色-爱因斯坦凝聚的超流性质的认知？其与光之间有着怎样的相互作用？其在碰撞方面的特性是怎样的等诸多的问题，当前都无法做出十分权威的解答，但有实验产生了玻色-爱因斯坦的凝聚态，便能够对这一系列的问题进行探索并深入地研究。

在我国国内，虽然并未有实验实现了玻色-爱因斯坦凝聚方面的实验，但我国有着许多的研究小组在理论到实践的各方面进行了研究并发表了一些有着一定的影响的论文等，然而，总的来说，我国在这一领域的研究竞争是处于劣势的，因此，在未来的研究中，更需要投入更多的精力，争取赶上领先国家的研究水平。

3 对前景的展望

玻色-爱因斯坦凝聚现象对于基础的应用与研究的重要的意义以及其本身所具有的奇特的性质使得对该领域的研究也有着十分重要的意义，成为了现代的物理学主要研究的前沿领域之一，通过对玻色-爱因斯坦凝聚现象研究的嘉盛，将会使得人们对于当前物理学之中一部分基本的问题进行重新的认识，并且，对其应用进行开发，也十分可能开创出一个新的纪元。众所周知，当光进入到介质之中时，其速度将会出现变慢的现象，但一般来说，只会降低到原来的几分之一的水平，然而，在对玻色-爱因斯坦凝聚状态下的“冷凝物”作为介质时，可以将光速降低到零。将光速进行降低有着许多的用途，例如在未来对于光学的计算机进行研究，降低光速便是其中首先要解决的一大问题，并且，利用玻色-爱因斯坦凝聚的现象可以对将红外线转换成为可见光的相关技术进行研究与开发，并且，利用玻色-爱因斯坦凝聚现象能够对现有的原子钟进行改善，若是作为原子钟的原子蒸汽直接在玻色-爱因斯坦凝聚体之中进行铨叙，将会有着更加尖锐的共振跃迁的信号，这就能够使得对于时间计量的精度可能再次提高100倍左右，达到1/1015的水平之上。另外，通过对原子数的相干方法-原子激光的实现，十分可能对于高新技术领域产生革命性的巨大影响。综上，笔者认为，玻色-爱因斯坦的研究对于21世纪的物理学的不断发展以及科学技术的再次进步都将会起到巨大的影响，对其进行深入的研究将会有着十分重要的意义。

【参考文献】

[1]汪志诚.热力学 统计物理[M].北京：高等教育出版社，1992，1.

[2]严子浚，等.玻色-爱因斯坦凝聚现象的研究[J].厦门大学学报：自然科学版，2001，31.

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[4]王谨，等.原子的玻色-爱因斯坦凝聚[J].大学物，1998，81.

[责任编辑：汤静]