极端条件下原子系统的宏观量子效应

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1、极端条件下原子系统的宏观量子效应玻色—爱因斯坦凝聚孙昌璞中国科学院理论物理研究所,北京100080众所周知,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，实物微观粒子运动也会象光波水波一样，具有传播，干涉和衍射的波动行为，形成物质波（或称德布罗意波）。对于较小的或结构简单的粒子，如电子和中子，人们不仅在实验上已观察到干涉现象和衍射图样，而且基于这个原理，成功地制备了现代测量技术必不可少的电子显微镜和中子干涉仪。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

2、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。图1：宏观量子态-BEC产生的计算机处理图象：ScientficAmerican，278-3（1998）.对于这种宏观量子效应的进一步研究，不仅可以加深人们对客观世界的进一步认识，而且也可能导致系列的革命性技术创新。大家知道，对于光波可以实现它的受激辐射相干放大-激光，那么，对于原子的物质波是1否也可以类似地做到这一点呢？这是一个非常自然而又十分基本的问题。但在没有实现原子系统的一种宏观量子态（图1）玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)以前，这只能是空想。物质波的波长太短了，在通常的情况

3、下，原子波动的特征并不明显，只有在极冷的玻色-爱因斯坦凝聚状态，人们才能很好地观察到原子的波动行为；只有在此基础上，人们才能考虑物质波的相干输出放大问题，才可以制备新一代物质波“光源”-“原子激光器”。一．原子的宏观量子态--玻色-爱因斯坦凝聚今天称之为玻色-爱因斯坦凝聚的物理现象是七十年前由爱因[1-3]斯坦和玻色预言的宏观量子效应。1995年5月在美国科罗拉多大学和美国国家标准局的联合天体物理实验室（JILA）里首次被人[4]们观测到。不久以后，Rice大学和MIT的研究小组相继报道了类[5,6]似的发现。在1995年底,这个重要发现被国际合众社评为“十大国际科技

4、新闻”。人们宣称,“终于得到了物质的第五种状态”─宏观量子态。事实上,组成自然界的粒子可分为两大类─玻色子和费米子。只有在极低的温度下,由它们组成的全同粒子体系才分别形成玻色-爱因斯坦凝聚和费米面填充、表现出各自明显的宏观量子特性。因此，去实现或发现玻色-爱因斯坦凝聚是人们认识客观物质世界基本构成的必然要求。1924年,通过著名物理学家爱因斯坦的德文翻译，30岁的印度物理教师玻色发表了今天称之为“玻色-爱因斯坦统计”[2]的第一篇文章。接着,爱因斯坦从根本上完善和发展了这项工作,[1]并大胆地提出了“凝聚”的观念:即当把玻色状态计数的思想应用到全同粒子组成的玻色型理想

5、原子气体,在个临界温度以下,宏观数量的原子将突然凝聚到动量为零的单一量子态上,形成宏观量子态，其热力学特性（如比容和比热）将出现非解析和不连续的行为。对这种由“平凡”原子组成的无相互作用系统在宏观尺度上会出现“非平凡”的集体行为,人们一直困惑不解。直到五十年代中期,杨振宁和李政道的工作才使得这个问题得以最后澄清：这种非平凡性是在保持密度不变且体积和粒子数同时趋向无穷的热力学[7,8]极限的结果。2图2：BEC系统的热力学从基本量子力学角度考察原子玻色-爱因斯坦凝聚问题,可以加深对这一重要物理观念本身的理解,并从中了解其实验发现过程的艰难和技术的关键所在。根据爱因斯坦的

6、凝聚理论,只有当组成理想气体的原子热运动的物质波（热波）波长（相当于原子波包的平均宽度）与原子之间间距相比拟时,原子波包才能相干地重叠起来,形成一种相干的宏观量子态-物质的第五态。在这种状态下,个体原子不能独立存在,只有众多原子的集体协同行为或宏观特性才是重要的。然而,来自真空或其它环境的自然界“噪音”无时无刻不在扰动原子的运动,它使得大量原子同时凝结在单一的量子态上十分困难。只有把系统冷却到尽可能低的温度，才有可能形成宏观量子态。事实上,由于原子的热波波长与温度和原子质量的平方根成反比,而原子质量很大,在室温下热波波长很短，与原子的间距相差几个数量级。如果要在实验室

7、中实现原子的玻色-爱因斯坦凝聚,必须把原子温度冷却到µk的数量级，这在没有发明激光冷却原子新技术以前几乎是不可能的。虽然人们相信超导和超流也是玻色-爱因斯坦凝聚的体现,但这[9,10]类强关联系统毕竟与当年玻色和爱因斯坦的预言相差甚远。由于存在复杂的相互作用,人们不清楚这类凝聚是相互作用造成的,还是由于全同粒子的玻色—爱因斯坦统计引起的，只有后者才能充分体现出宏观量子现象的根本特征。因而,几代物理学家一直努力寻求在无相互作用或仅有排斥弱作用的稀薄原子气体中发现这一重要物[11]理现象。早期人们曾经试图用极化氢等实现玻色—爱因斯坦凝聚，由于氢原子相关制