现代光学前沿.doc

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1、2015年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）关于玻色爱因斯坦凝聚的研究综述1.概念设在体积为V的容器中存在由N个同种玻色粒子组成的理想气体。理想玻色气体处于热平衡状态时服从玻色—爱因斯坦统计。如果以n(εi)表示热平衡时处于能级εi的某一量子态中的平均粒子数，则n(εi)可表示为式中μ为粒子的化学势，对于玻色系统它要满足μ≤0；k为玻耳兹曼常量。系统的总粒子数为用N0表示处于最低能级(ε0=0)的粒子数，用N′表示处于较高能级中的粒子数，则总粒子数可表为而其中G0为ε0=0能级的微观态数，可

2、设G0=1。应对εi≠0的所有微观态求和。利用上式，近似地用积分代替求和，并考虑到函数的单调性可知，在某一特定的温度，N′有一个上限Nmax，则式中S表示粒子的一个空间运动状态对应S个不同的自旋态，m为玻色子的质量，h为普朗克常量。这个特定的温度称为临界温度，用TC表示。当T

3、粒子都转移到最低能级，这个现象就是玻色—爱因斯坦凝聚。1.国内外研究动态早在1924年，爱因斯坦在理论上就预言，当温度足够低时理想玻色子就会出现玻色—爱因斯坦凝聚现象。此后，许多科学家都想在实验上证实这一预言的存在，但由于当时实验条件和实验技术有限，在爱因斯坦预言后70年内都无法在实验上证实这一点。到了上世纪80年代末和90年代初，美国国家标准与技术研究所的埃里克·康奈尔博士和科罗拉多大学的卡尔·维曼教授带领一批学生和博士后(称为JILA小组)从事玻色—爱因斯坦凝聚研究达6年之久，终于在1995年7月

4、，在原子铷的蒸汽中实现了这种凝聚；同年8月，美国Rice大学的Hulet小组报道了在锂原子中观察到了玻色—爱因斯坦凝聚；11月，美国麻省理工学院的Ketterle小组又报道了钠原子的玻色—爱因斯坦凝聚结果。这3个实验可称为玻色—爱因斯坦凝聚研究历史上的重要里程碑。3个实验各有特点。JILA小组的工作最早完成，是首创的。在他们的实验中原子铷首先被激光冷却，然后载入磁陷阱通过强力蒸发被进一步冷却到创记录的低温(170nk)下，从而获得凝聚物，这正是人们期望已久的新物态—玻色—爱因斯坦凝聚态。Ketterl

5、e小组的特点是快速冷却，能在7s内使相空间密度增大6个数量级。他们的凝聚物中包含着更多的原子，密度超过1014/cm3。以上两个小组都是在具有正散射长度(α>0)的原子气体中实现玻色—爱因斯坦凝聚的，而Rice大学的Hulet小组是在具有负散射长度(α<0)的锂原子中找到玻色—爱因斯坦凝聚的证据，这是他们的一大特色。1995年后，世界上有许多实验室都投入实现玻色—爱因斯坦凝聚的研究。至今已有近30个研究小组宣称他们实现了玻色—爱因斯坦凝聚(其中包括日本的三个小组)。其中绝大部分是采用铷原子蒸汽为样品，

6、这是因为铷原子在冷却中涉及的跃迁波长在780mm附近，可采用半导体激光器作为冷却用的激光，运转稳定，实验周期短。1998年6月，美国麻省理工学院小组实现了氢原子的玻色—爱因斯坦凝聚。氢原子曾被认为是实现玻色—爱因斯坦凝聚的最理想材料，50年代起就有人提出以它首选。因为它较轻，在相同的温度下有较长的热波长，容易达到玻色—爱因斯坦凝聚的要求。但氢原子系统在形成玻色—爱因斯坦凝聚的过程中，由于二体偶极弛豫会随温度的下降而迅速减少系统的原子数，产生一些特殊困难，以致实验上反而落在别的原子系统之后，MIT13/

7、13小组在氢原子中实现玻色—爱因斯坦凝聚，是这一研究中的一大进步。实验上实现了玻色—爱因斯坦凝聚之后，研究工作朝着两个方向发展。一方面是继续完善实验技术，实现稳定连续的物质波相干放大输出，以便开发新的应用领域，并完善对凝聚物质的检测手段。另一方面是关注与玻色—爱因斯坦凝聚相关的基础理论研究。至今为止，对有关玻色—爱因斯坦凝聚的许多基本问题人们的认识还十分模糊，例如:玻色—爱因斯坦凝聚态是怎么形成的，粒子间的相互作用对玻色—爱因斯坦凝聚的性质是如何影响的，玻色—爱因斯坦凝聚相变的特性如何，玻色—爱因斯坦

8、凝聚的超流性质，它与光的相互作用，它的碰撞特性等等，都还是一个谜。但有了实验产生的玻色—爱因斯坦凝聚态，就有可能对这些问题进行探索。实验上的进展是惊人的。1996年底，MIT小组首先在产生原子相干输出方面取得实质性的进展，尽管还不够完善，但他们开创性的工作表明，最终实现稳定的物质波相干放大输出是完全可能的。1998年，美国国家标准与技术研究所的一个小组在1997年诺贝尔物理学奖获得者PhillipsWD.博士的领导下，成功地研制出世界第一台全可控可调谐物