碱性原子的玻色爱因斯坦的冷凝态和原子激光

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1、碱性原子的玻色爱因斯坦的冷凝态和原子激光康奈尔克特勒维曼2001年诺贝尔物理学奖由3位物理学家共享。获得者为美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔（EricA.Cornell）教授、美国麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（WolfgangKetterle）教授和美国科罗拉多大学的卡尔·维曼（CarlE.Wieman）教授，他们的主要研究工作为原子物理领域中的"稀薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研究"和"对冷凝物的早期基础研究工作"。玻色爱因斯坦冷凝态常温下的气体原子行为就象台球一样，原子之间以及与器壁之间互相碰撞，其相互作用遵从经典力学定律，图1（a）；低温的原子运

2、动，其相互作用则遵从量子力学定律，由德布洛意波来描述其运动，此时的德布洛意波波长λdb小于原子之间的距离d，图1（b），其运动由量子属性自旋量子数来决定。我们知道，自旋量子数为整数的粒子为玻色子，而自旋量子数为半整数的粒子为费米子。玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态)；而费米子具有互相排斥的特性，它们不能占据同一量子态，因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态，原子中的电子就是典型的费米子。早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态---玻色爱因斯坦冷凝态，即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量

3、最低的同一量子态。此时，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。根据量子力学中的德布洛意关系，λdb=h/p。粒子的运动速度越慢（温度越低），其物质波的波长就越长。当温度足够低时，原子的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级上，此时，物质波之间通过相互作用而达到完全相同的状态，其性质由一个原子的波函数即可描述，图1（c）；当温度为绝对零度时，热运动现象就消失了，原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态，图1（d）。图1（a）图1（b）图1（d）图1（c）在理论提出70年之后，2001年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上实现了这一现象（在1995年）。实验是利

4、用碱性原子实现的，碱性原子形成的冷凝态，是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷凝态，因此可以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。前些年的物理研究也部分的实现了玻色爱因斯坦冷凝态，例如超导中的库泊电子对无电阻现象，超流体中的无摩擦现象，但其系统特别复杂，难以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。（它们也是获得诺贝尔物理学奖的研究成果超流体中的无摩擦现象1962年，超导中的库泊电子对无电阻现象1972年。）玻色爱因斯坦冷凝的实现我们知道原子气体在低温时容易形成液体，利用碱性原子铷87Rb和钠23Na可以避免液体的形成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排斥力，实验中原

5、子的速度只有几个毫米/秒，这对应的温度为100nK（1nK=10的-9次方K）。这极低的温度是用激光冷却的办法（1997年的诺贝尔物理学奖成果）来达到的。其基本原理是通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目的，冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部分，磁场很强，控制原子磁极的射频场的频率很高，通过逐渐的降低频率可以把温度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。道理就象茶在茶杯中变凉一样。在磁-光囚禁阱中原子是靠偶极磁场力来约束的，如果原子的磁极发生反转，就会使吸引

6、力变为排斥力，因此需要用射频场来控制原子磁极的反转。但是在囚禁阱的中心电磁场为零，这就不能控制原子自旋态（磁极）的变化。为此，埃里克·康奈尔采用旋转磁场装置使原子始终不能达到磁场为零的位置，以达到控制原子自旋态的的目的，从而在1995年的6月实现了87Rb的玻色爱因斯坦冷凝态。科罗拉多大学JILA研究组的实验结果如图2所示，左上图为从囚禁阱中排出的原子云形成玻色爱因斯坦冷凝态的过程俯视图，左下图为侧视图。图形为吸收图，通过共振激光照射原子云而用CCD摄取原子云的阴影（下同）。第一个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之前，第二个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之中，背景为热运

7、动，第三个图为几乎所有的原子都形成了玻色爱因斯坦冷凝态，热运动背景为球形对称的。右边的图形显示随着温度的降低，更多的原子蒸发了。实验图是通过从囚禁阱中排出原子云后利用共振光的阴影形成的，形成图形的大小取决于原子从囚禁阱中排出时动量的大小，实验中热运动背景为球形对称的，而玻色爱因斯坦冷凝态的峰图反映了代表动量的波函数是不对称的，这和当前的玻色爱因斯坦冷凝态理论是一致的。因为实验是破坏性的，因此就要求有很好的可重复性。MIT的沃尔夫冈·克特勒从1990年开始也在沿着上述方法用钠原子来独立的做此研究，所不同的是，他采用强激光束来阻止原子进入囚禁阱中心磁场为零的区域

8、。沃尔夫冈·克特勒的实验成功仅落后于卡