稀薄原子气体玻色爱因斯坦凝聚近期研究进展简介

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1、第!!卷第%期大学物理()*’!!+)’%!"",年%月-.//01023456-5578’!"",!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!稀薄原子气体玻色#爱因斯坦凝聚近期研究进展简介苗元秀，翟荟（清华大学高等研究中心，北京&"""9:）摘要：论述了自&%%%年涡旋态在稀薄碱金属原子气体的玻色#爱因斯坦凝聚体（;0-）中成功实现以来有关的;0-理论和实验研究的进展及作者近期的部分探索，并介绍了相关的基本概念和理论’关键词：涡旋态；相位相干；宏观量子隧穿；玻色#爱因斯坦凝聚中图分类号：.:,&文献标识码：<文章编

2、号：&"""="$&（!!"",）"%=""",=">众所周知，微观粒子可分为玻色子和费米子两大;0-的理论和实验研究’&%%$年，5’-FG、-’-)F7H=ICH=类’受泡利不相容原理的制约，在一个体系中的每个费H)GJKD和L’M’2FD**D8?因在;0-实验必需的激光冷却米子只能占据一个量子态，而玻色子则不然，因此在特和捕陷气体原子的研究中所作出的突出贡献而获诺贝殊的条件下，体系中可能有宏观数目的玻色子占据同尔物理学奖’由于原子气体玻色凝聚的实验实现，对这一个量子态的情形出现’对这一现象的理论预言最早一领域的理论和实验研究起到了巨大的推动作用，可以追溯到$"多年前，量子力学

3、建立之初’&%!:年5’!""&年的诺贝尔物理学奖授予了领导实验实现;0-;)?7把光子作为数量不守恒的全同粒子来处理，成功的三人：-’0’LD7NCH、0’<’-)@H7**和L’O7PP7@*7’地导出了普朗克黑体辐射定律’爱因斯坦随即将;)?7本文着重介绍;0-理论的基础概念和弱相互作的处理推广到无相互作用的、有质量的、粒子数守恒的用;)?7气体的理论、实验和理论研究的进展以及我们玻色子气体，得出结论：低于某一特定温度时，占据最近期所作的一些探索’低单粒子态的粒子数与总粒子数的比值是有限的分!;0-的一些基本概念和方程［"］数，即发生玻色#爱因斯坦凝聚（;0-）现象，这个温度!

4、#!非对角长程序和序参量就是;0-的转变温度’对于无相互作用的自由玻色子体系来说，发生现实系统不同于爱因斯坦当初处理的自由粒子体;0-意味着体系的单粒子基态，即零动量态上布居有系，其相互作用是不可忽略的’已知的;0-体系如液宏观量的粒子’而实际的系统中粒子之间的相互作用氦!，超导中的-))87@对及半导体中的激子，不是相互是不可忽略的，单粒子基态不能很好地定义，因此，原作用太强，就是环境过于复杂，既使得理论上不易处来适用于自由玻色气体的玻色#爱因斯坦凝聚的定义理，也无法区分实验现象中起作用的到底是相互作用就需要推广了，这就要用到杨振宁&%Q!年提出的非对还是;0-本身’因此，找到一种

5、相互作用较弱且环境［$］角长程序的概念’又不复杂的系统是理论和实验的共同要求’理论上，早对于自由玻色子体系，单粒子的动量量子数是好在五六十年代杨振宁、李政道和黄克孙等人就系统地量子数’在坐标表象下单粒子密度矩阵的非对角元是：研究了稀薄的"相互作用的玻色气体，得到了很多重&要的结论［&，!］’实验上，在&%%>年，随着激光冷却和捕〈!"R!#&R!〉S(")"$%7T8D!（!"#!），其中"是体陷技术的发展，终于实现了9$AB、!,+C、$/D气态原子的积&对于费米子和玻色凝聚温度以上的玻色子来说，当;0-［,E>］，这极大地推动了对弱相互作用原子气体!"#!#U时〈，!"R!V&R

6、!〉#"&在凝聚温度以下，零动量收稿日期：!""!#"$#"%作者简介：苗元秀（&%$!—），女，山东威海人，清华大学高等研究中心博士生’万方数据;大学物理第66卷态上的粒子数是!""!，这里"是总粒子数，!是一6!:&%%"#&6%((%(-%%%6%"!%06,个有限的分数，于是当#$##!$时〈，#$%"&’%#〉!%在求的运动方程时需要对其线性化：略去场的涨落，#’&所以说，本质上玻色#爱因斯坦凝聚就是单粒子密度将(用其平均值!$代替，的平均值为零%得到的’&’&’&’&矩阵的非对角元在长波极限下为非零值%把这一观念’&的运动方程为加以推广，对于一个一般约束下有相互作用的系统

7、，如%’&&6:&"#6［（6!$(%6）6(］果当#$##!$时〈，#$%〉!"!$"（#$）$（#）(⋯，%06,’&((’&(-%%’&(%’&"&’%#我们称这个系统具有非对角长程序%非对角长程序是一!"$相位相干个没有经典对应的量，它的出现说明系统的单粒子约化)*+系统的波函数不仅可以像一般的多体体系能密度矩阵至少有一个本征值为&（"）量级的本征态%用含有各个粒子坐标的"体波函数%（$’，$6，⋯，$"）来描述，而且由于系统的高度相干性，还可以用