玻色爱因斯坦凝聚,激光制冷分析.pptVIP

§ 8.3 玻色－爱因斯坦凝聚;B. 弱简并玻色(费米)气体：;1、历史追溯;爱因斯坦认为，玻色的理论不但对光子适用，而且可以应用到全同粒子组成的原子气体。 ;爱因斯坦认为这是一种新的相变：把凝聚到基态上的粒子看出凝聚相，把处于激发态的粒子看作气相，那末BEC很像通常的“气液相变”。 ;因为实现玻爱凝聚的条件极为苛刻： ;一方面要求极低的温度，另一方面要保证原子气体不被液化和凝固，这是极为困难的任务。;后来，美国斯坦福大学的华裔物理学家朱棣文及其合作者们发明了激光冷却方法。;这个领域经历着爆发性的发展! 在量子计算机方面有潜在的应用价值。 ;激光制冷的基本原理是，通过原子与光子的交换动量来达到冷却原子的目的。;光子虽然没有静止质量，但有动量。当光子照射原子时，可以将动量转移给原子，从而改变原子的动量。;;多普勒冷却;如果多设置几个激光源，从多个方向照射原子。那么按上面的分析，无论样品的原子往哪个方向运动，它都只吸收迎面而来的激光，因而其运动速度总是被降低。;原子一秒钟就可以吸收、发射上千万个光子，从而可以有效的减小速率。从热学的角度说，就是将原子冷冻起来。;激光冷却可以产生一小束超冷原子，但是它们并不能持久地将原子保持在空间中。;原子捕获 磁阱;磁光阱不仅能囚禁原子，还能够同时使原子冷却。;北京大学 BEC设备;首次实现的BEC是一个小的可怜的铷原子团，直径约20um，但确实是人们盼望已久的新物态—BEC. ;首先，这种状态非常容易遭受破坏，甚至可以说是有史以来最容易“破碎”的东西。 ;1、 自由玻色粒子的特征;由于粒子数不能取负值, 这就要求所有能级的;即理想玻色气体的化学势，必须低于最低能级。 ;在n不变的情况下，温度降低，化学势μ随之升高。;化学势随温度的降低而升高。当温度降至某一临界温度Tc ;临界温度Tc由此式计算;;等式左方将变得小于n，等式右侧 n = c不变. ;粒子都去哪儿去了？哪里出了问题？;高温(T Tc)时，求和变积分的影响不大。很多粒子处在激发态， ?＝0上的粒子数是一个小量。丢失后不至于影响n的守恒，用积分代替求和??入的误差可忽略 。;在T Tc时, 应该将粒子数分成两部分：;在T = Tc时, 粒子还没有发生凝聚。粒子的总密度可以表示为：;温度为T时，激发态上的粒子数密度;玻色－爱因斯坦凝聚曲线如下图：;在基态上的粒子的能量和动量均为零，动量空间的凝聚。;在TTc时，尽管粒子凝聚在基态，但基态的能量为零。;低温时，遵循T3/2定律； 高温时求极限发现，热容量趋于经典值3Nk/2.;原子是玻色子，实验发现大气压下的沸点是4.2K. ;;由此可见，可通过降低温度，增加气体粒子数密度，来增加德布罗意波长的方法来实现玻色凝聚。