波色-爱因斯坦凝聚态简介.docVIP

（Bose-Einstein condensation） ——物质的第五态 图1：宏观量子态-BEC 产生的计算机处理图象：铷的BEC ScientficAmerican，278-3（1998）. Catalog 一、前言····························（3） 二、BEC的发展之路 1、理论的诞生····················（5） 2、推开冷原子的大门···············（8） 3、超冷分子及冷原子、分子的制备······（11） 4、BEC的实现························（15） 5、BEC的特殊性质·····················（17） 6 BEC体系的推广····················（18） 三、应用前景····························（20） 四、对我的启示·························（21） 前言 接触过量子理论以后都知道，物质在微观尺度上表现出完全不同于经典运动的量子行为, 而量子理论则成功地描述了这类诸如原子光谱和黑体辐射的非经典现象。根据量子理论的波粒二象性学说，实物微观粒子也具有波动性，具有传播，干涉和衍射等波的特性，考虑到日常所见中的宏观物体是由大量服从量子力学规律的微观粒子组成的, 人们自然要寻求在宏观尺度上最具量子特征的物理现象，如原子和分子集团的宏观量子效应。 在这我先解释一下为什么称BEC为物质的第五态。固液气是大家熟知的物质的三种状态，将固体加热到熔点时，粒子的平均动能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子之间的结合能，液体会变成气体。如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或完全电离，即原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，而失去外层电子的原子变成带点的粒子。当带电粒子的比例超过一定程度时，电离气体凸现明显的电磁性质，而其中正离子和负离子（电子）的数目相等，因此被称之为等离子体（plasma）,又被称之为物质的第四态。 然而，对于原子气体，当温度处在绝对零度附近时，大部分原子会突然跌落到最低能级，达到量子简并状态，后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），又被称为物质的第五态。 我的这个repot主要总结了我最近所学习的内容，通过知识的不断加深，问题也更多，就像要进入一栋房子的某一个房间，当然你事先不知道它的具体方位，事情本身很简单，可当你真正进去了，你就会发现，当你推开了那扇门之后，出现在你面前的并不是你的目标房间，而是许多门，你需要不断地去推开每一扇门，而进入目标房间的门只有一扇。所以只有不断地尝试才会离你的目标更近。当进入目标房间之后，你再回头就会突然发现，原来在推门、尝试的过程中获得了许多“意外”的收获。 在这个比喻中，BEC就是目标的房间，凝聚态就是大房子，而激光冷却、磁-光阱、Feshbach共振等技术则是开启这些房间之门的钥匙。像飞秒化学、超冷化学、梳状发生器等就是在尝试过程中的意外收获。这只是我最近学习的心得，也不知是否准确。 在接下来的内容中我按照自己的思维、逻辑方式把我最近学习的东西梳理了一遍。其中也有一些我自己的见解和疑问。 一、理论的诞生 1924年印度物理学家玻色（Bose）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Einstein的光量子假设，也满足Pohl Seidman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Planck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Einstein，Einstein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（Bose-Einstein condensation）。 我们知道，任何微观粒子都具有波粒二象性，由德布罗意关系式可知，波长与粒 子的动量(或速度)相联系，频率与粒子的能量相联系。 λ = h / p ν = E / h .3 式中λdB 是原子在温度T 时的德布罗意波长。在原子温度比较高时，原子的德布罗意波长很短，大大小于原子之间的平均距离，原子的运动行为完全可以当作经典粒子来处理，当温度逐渐降低时，德布罗意波长逐渐增大。温度降低到一定程度，原子的波动性就显现出来，此时原子的行为就象一个一个波包。当温度继续降低，达到某一临界值时