玻色愛因斯坦凝聚研究進(jìn)展.doc

摘 要近二十年來，科學(xué)家對玻色-愛因斯坦凝聚(bec)問題進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，就此問題的研究得到了快速發(fā)展，并取得了一系列重大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。本文簡單介紹了玻色-愛因斯坦凝聚問題的的起源，重點(diǎn)闡述了玻色-愛因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)成功及其研究進(jìn)展，并探討了玻色-愛因斯坦凝聚的潛在應(yīng)用，展望了其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：玻色-愛因斯坦凝聚(bec)；蒸發(fā)、冷卻與操控；原子becabstractin the last two decades,scientists carried out many experiments about bose-einstein condensation. progress has been achieved on the issue of bose-einstein condensation research, and a series of significant experimental progress have been made. this thesis reviews the origin of bose einstein condensation problem. we focus on the experimental success of bose einstein condensation and its research progress, discussing the potential application of bose-einstein condensation and predicting its development prospect.keywords: bose-einstein condensation;evaporative cooling and control; atomic bec目 錄第一章 前言- 1 -第二章 玻色-愛因斯坦凝聚問題的起源及探索- 2 - 2.1 玻色-愛因斯坦凝聚問題的起源- 2 - 2.2 實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚的探索- 2 -第三章 玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)的成功- 3 - 3.1 實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的技術(shù)激光冷卻和捕陷原子- 3 - 3.2 在稀薄堿金屬原子氣體中實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚- 3 -第四章 玻色-愛因斯坦凝聚研究進(jìn)展- 5 - 4.1 原子bec- 5 - 4.2 全光型bec- 10 - 4.3 雙阱和光晶格中bec- 11 - 4.4 固體中的bec- 12 -第五章 玻色-愛因斯坦凝聚的潛在應(yīng)用展望- 13 - 5.1 原子激光- 13 - 5.2 精確測量- 13 - 5.3 芯片技術(shù)- 14 - 5.4 探測方面- 14 -第六章 結(jié)語- 16-參考文獻(xiàn)- 17-致 謝- 18 -iii第一章 前言自然界，有兩種基本的粒子。一種是費(fèi)米子，它是自旋量子數(shù)為半整數(shù)的粒子，如電子、質(zhì)子和中子；一種是玻色子，它是自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子，如光子、處于基態(tài)的氫原子和粒子。兩種粒子各具特色，費(fèi)米子服從泡利不相容原理，即兩個或兩個以上的費(fèi)米子不能處于同一狀態(tài)；而玻色子具有整體性，在足夠低的溫度下，當(dāng)原子的運(yùn)動速度足夠慢時，它將聚集在系統(tǒng)的最低能級上，形成高度簡并的粒子體系。這種高度簡并的粒子體系就是早在1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預(yù)言存在的一種物質(zhì)狀態(tài)玻色-愛因斯坦凝聚體(bose-einstein condensation），簡稱bec。自此思想提出以后，就引起了物理學(xué)界的極大反響。廣大物理學(xué)工作者紛紛著手實(shí)驗(yàn)以尋求看到真實(shí)的玻色-愛因斯坦凝聚(bec)。經(jīng)過大家不懈的奮斗，取得了大量具有深遠(yuǎn)意義的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。例如早年物理學(xué)界的研究成果：1962年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超流體（也叫超液體）中沒有摩擦；1972年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)庫柏電子對（即由兩個費(fèi)米子結(jié)合形成的具有玻色子性質(zhì)的費(fèi)米子對）放在超導(dǎo)中沒有電阻，這些都使bec得到了部分實(shí)現(xiàn)。對于這些系統(tǒng)來說，它們顯得相對復(fù)雜。研究其中的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)就是很困難。時間過去70年，到了1995年，這一年，科學(xué)家們對該現(xiàn)象的研究取得了驚人的進(jìn)步。在實(shí)驗(yàn)中，人們利用堿性原子實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚(bec)。隨后，囚禁，冷卻和操控技術(shù)得到了大力的應(yīng)用，這給玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的研究增添了活力?？上驳氖?，在實(shí)驗(yàn)研究中，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了八種元素的原子bec。這八種元素分別是：174yb、133cs、87rb、85rb、41k、23na、7li、4he、1h。玻色-愛因斯坦凝聚是非常尋常的物理現(xiàn)象，但是它物理方面的性質(zhì)卻很不尋常。它有很多特殊的物理性質(zhì)，如：電磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等。玻色-愛因斯坦凝聚是不同于常見的等離子態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的一種異常的物質(zhì)存在的方式。我們對玻色-愛因斯坦凝聚進(jìn)行的專研在科學(xué)上是有著巨大的意義的，在應(yīng)用上也是價值無窮。首先，我們可以通過對處于玻色-愛因斯坦冷凝態(tài)下的物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行研究來檢驗(yàn)自然界的已有的一些規(guī)律，探索和發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。其次，在應(yīng)用方面，我們在bec基礎(chǔ)上獲得原子激光，這將極大提高原子鐘精度，使太空航行的定位更加精確。同時，我們?nèi)粼诩呻娐分袘?yīng)用原子激光，那么集成電路的密度就會變大很多，這樣電腦芯片的運(yùn)算速度也就相應(yīng)地變快很多。另外，由于bec具有很好的相干性，因此我們可以利用凝聚體研制原子干涉儀以精確測量各種勢場。此外，在磁傳感器及弱磁場的探測方面，bec也有相關(guān)的應(yīng)用。本文不僅介紹了玻色-愛因斯坦凝聚問題的一些實(shí)驗(yàn)操作，也對它的起源進(jìn)行詳細(xì)描述，另外講解了它的形成條件，最重要的是呈現(xiàn)了它的一些相關(guān)技術(shù)。對玻色-愛因斯坦凝聚問題上的一些應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)描述，對它的未來應(yīng)用也進(jìn)行了大膽的展望。第二章 玻色-愛因斯坦凝聚問題的起源及探索2.1玻色-愛因斯坦凝聚問題的起源 時間倒流，在1924年6月24日那天，偉大的愛因斯坦收到一篇論文。該文研究了“光子在各能級上的分布”，并借助純粹統(tǒng)計物理的方法推導(dǎo)出了光子的普朗克分布規(guī)律。這篇論文后來成了經(jīng)典，并在德國引起了轟動。論文的作者是玻色，他是一位印度物理學(xué)家，當(dāng)時正任教于印度達(dá)卡大學(xué)。對于這篇論文，愛因斯坦盛贊了玻色的才華。他認(rèn)為玻色對于普朗克公式的推導(dǎo)是一項重大的進(jìn)步，并有可能對于理想氣體量子理論作出貢獻(xiàn)。他親自將玻色的手稿譯成德文并推薦到德國的zeitschrift fur physki上發(fā)表。同時，愛因斯坦在自己的工作中，將玻色的理論推廣到全同粒子和全同分子氣體，并預(yù)言在足夠低的溫度下，自旋量子數(shù)為整數(shù)倍的粒子將聚集在系統(tǒng)的最低能級上，形成了高度簡并的粒子體系，并以玻色-愛因斯坦凝聚（bose-einstein condensation）來命名。bec就是其英文首字母，同時也是玻色-愛因斯坦凝聚的簡稱。2.2 實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚的探索 bec歷經(jīng)了一段相當(dāng)長的探索過程。自從該理論提出以來，無數(shù)科學(xué)家對其進(jìn)行長期深入的探索研究。主要的研究方向便是bec的實(shí)現(xiàn)，另外對其量子統(tǒng)計性質(zhì)也做了理論研究和實(shí)驗(yàn)探究。令人振奮的是，在這兩個方面科學(xué)家們?nèi)〉昧撕艽蟮某晒Α?938年，有人率先解釋了液氦的超流現(xiàn)象，用的理論正是玻色-愛因斯坦凝聚。這位科學(xué)家是london，他認(rèn)為超流就是氦原子的bec。后來經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)中強(qiáng)相互作用一直存在，所以，這里的bec并不是純的。既然在強(qiáng)相互作用下的bec并不是純的，那么有沒有可能在弱的相互作用下的玻色氣體中實(shí)現(xiàn)純的bec？帶這樣的思考，近代物理學(xué)家付諸了努力，在實(shí)驗(yàn)中氫原子成了首選的對象。因?yàn)闅湓拥臉?gòu)成比較簡單，它是由一個電子和一個質(zhì)子組成，是一個最簡單的玻色原子。后來，有人設(shè)想過新的bec候選者自旋極化氫原子氣體。不過這并沒有給實(shí)驗(yàn)帶來實(shí)質(zhì)的幫助，因?yàn)檫@種氣體可能在低溫下失效，這是因?yàn)闅湓娱g存在很低的彈射速率。造成這種低速的原因是由于氫原子間存在非常微弱的排斥作用。氫原子的bec實(shí)驗(yàn)一直令人沮喪。到了1980年，人們又找到氧化亞銅中的激子，把它作為bec的第三重要的候選者。科學(xué)家不斷努力卻一直未能很好地研究它特別的性質(zhì)。直到1995年，美國的維曼教授與高級學(xué)者康奈爾在實(shí)驗(yàn)中成功制備了87rb原子的bec，該現(xiàn)象持續(xù)的時間約為15-20s，相應(yīng)的相變溫度大概是1.710-7k。這次實(shí)驗(yàn)的成功打開了科學(xué)發(fā)現(xiàn)與新技術(shù)發(fā)展的寶庫的大門。第三章 玻色-愛因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)的成功3.1實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的技術(shù)激光冷卻和捕陷原子在什么樣的條件下，我們就可以看到玻色-愛因斯坦凝聚這一奇特的現(xiàn)象呢？形成玻色-愛因斯坦凝聚理論上要求原子的德布羅意波相互重合。然而原子在形成玻色-愛因斯坦凝聚之前就可能已經(jīng)形成了分子。這就不僅要求原子間的距離大于化學(xué)力的范圍以避免分子內(nèi)各原子之間的強(qiáng)相互作用力，而且要求原子的物質(zhì)波仍能相互重合，也就是說物質(zhì)波長大于粒子間的平均間距，原子相密度必須大于一定的值。通常，原子氣體在原子密度不變的情況，均有一個極限溫度，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的溫度低于極限溫度時，原子間的距離就會小于物質(zhì)波長且原子氣體的相密度提高到一定的值，我們的原子氣體就會實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦相變。在實(shí)驗(yàn)中，如何增加原子相密度、降低原子溫度是實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵。自玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象預(yù)言以來，激光捕陷和冷卻原子的技術(shù)得到了大力發(fā)展，該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中有效地增加了原子相密度、降低了原子溫度，使bec成為了現(xiàn)實(shí)。80年代中期，國際上已有幾個研究小組提出在用經(jīng)過冷卻后的堿金屬原子進(jìn)行bec實(shí)驗(yàn)中，形成的bec中的堿金屬原子間相互作用很弱。1995年，人們在克服一系列技術(shù)難題后，終于實(shí)現(xiàn)了堿金屬原子87rb和23na的bec。在過去的20多年中，雖然激光捕陷和冷卻原子的技術(shù)取得了很大發(fā)展，它達(dá)到了能把堿金屬原子的相密度提高l5個數(shù)量級，但是這距離實(shí)現(xiàn)bec所需要的值仍小l05106 倍。為了實(shí)現(xiàn)bec，美國物理系的維曼小組采用磁勢阱捕陷和激光冷卻的混合冷卻方法使原子的相密度和溫度達(dá)到了發(fā)生bec的條件,從而實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚。到目前為止，激光冷卻和捕陷原子的技術(shù)已有30年的發(fā)展史。通常，激光作用于原子，使其運(yùn)動發(fā)生變化的過程（如捕陷和冷卻）實(shí)質(zhì)上是原子吸收、再發(fā)射光子或者是原子發(fā)生散射而引起的反沖的過程。1980年的時候，世界上只有幾個科學(xué)小組在研發(fā)該技術(shù)，至今，國際上已有100多個研究小組在進(jìn)行這項工作，這期間，該技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)中該技術(shù)使原子氣體的溫度降低了5個數(shù)量級，從10-2k 降低到了10-7 k。由于溫度越低，原子的運(yùn)動越慢。因此，實(shí)驗(yàn)中，該技術(shù)的提高使得氣體原子的平均速度從室溫下約為每秒幾百米降到了實(shí)驗(yàn)中每秒幾厘米甚至更低，這為我們實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚創(chuàng)造了很好的條件?？梢哉f，離開了激光捕陷與冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚是不可能做到的。3.2在稀薄堿金屬原子氣體中實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚溫度很低的情況下，原子保持氣體的狀態(tài)比較困難，一般以液體狀態(tài)存在。而實(shí)驗(yàn)中為了防止氣體液化，我們采用了較難液化的堿性原子銣87rb和鈉23na進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是降低原子溫度，提高原子相密度。首先，我們可以應(yīng)用激光，使原子通過與光子進(jìn)行動量交換而得到冷卻，當(dāng)原子溫度降低到100nk(1nk=10-9 k)時，玻色子和那些相互間排斥力很弱的原子的速度將降低到幾個毫米秒，然后想辦法將這些得到冷卻的原子囚禁起來，比較常用的方法是用磁-光囚禁阱囚禁，該磁阱由磁場和激光組成，這樣之后，再想辦法使阱中溫度達(dá)到發(fā)生bec的溫度，我們可以再次采用蒸發(fā)冷卻的辦法，同時也可以去除熱的原子。實(shí)驗(yàn)中，我們還要想辦法控制原子。通常，我們控制原子是借助磁-光囚禁阱中的偶極磁場力?？梢坏⒃拥拇艠O反轉(zhuǎn)，原子間的相互作用將會成為排斥力，而不是之前的吸引力。為此，我們可以利用射頻場使原子磁極的反轉(zhuǎn)得到實(shí)現(xiàn)?？墒?，磁-光囚禁阱中有一點(diǎn)的電磁場為零，若原子到達(dá)該位置，那就無法利用該方法改變原子的磁極了。對此，美國的科學(xué)家康奈爾使用旋轉(zhuǎn)的磁場裝置控制原子的自旋態(tài)，該裝置能使原子永遠(yuǎn)達(dá)不到磁場為零的位置。于1995年6月，jila的康奈爾和維曼小組通過在時間平均軌道勢(top)阱中采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了堿金屬原子87rb的bec。 同年11月，ketterle小組成功制備了23na原子氣體的bec。該小組大膽嘗試，首次利用塞曼減速技術(shù)冷卻我們實(shí)驗(yàn)中的原子束系統(tǒng)。該方法取得了很好的效果，實(shí)驗(yàn)中，他們獲取的凝聚原子數(shù)大概是5105個，比之前康奈爾小組在實(shí)驗(yàn)中得到的還多250倍。上面兩個實(shí)驗(yàn)的成功極大地鼓舞了科學(xué)家對bec的研究，它們驗(yàn)證了我們之前在理論上計算的囚禁冷凝態(tài)的一些基本的性質(zhì)。維曼和康奈爾小組的實(shí)驗(yàn)首次展現(xiàn)了真實(shí)的bec，驗(yàn)證了玻色和愛因斯坦預(yù)言，即bec的存在。該實(shí)驗(yàn)小組先將樣品分為兩部分，首先采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)將其中一部分樣品冷卻下來，其次使處理過的這部分樣品和未處理的樣品通過碰撞的方法從而得到冷卻，最終產(chǎn)生兩部分冷凝態(tài)。而ketterle小組在前人的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，他們做到了冷凝態(tài)的無損壞探測，該實(shí)驗(yàn)小組通過共振光成像技術(shù)對時間和冷凝態(tài)之間的關(guān)系開展了非常直接的動力學(xué)觀測。第四章 玻色-愛因斯坦凝聚研究進(jìn)展4.1原子bec時至今日，我們對玻色-愛因斯坦凝聚開展了一系列的研究，令人欣慰的是在這過程中，我們也成功制備了八種元素的原子bec，即174yb、133cs、87rb、85rb、41k、7li、4he、1h 。87rb原子的bec：1995年6月，美國的維曼小組和康奈爾小組成功制備了第一個bec。實(shí)驗(yàn)中，該研究小組通過在時間平均軌道勢（top）阱中中應(yīng)用激光和射頻蒸發(fā)相混合的冷卻技術(shù)首次使87rb原子的bec得到了實(shí)現(xiàn)。圖4.1是康奈爾小組觀測到的87rb原子bec的吸收成像的圖像。 圖4.2是87rb原子密度的二維相空間分布。圖4.1 87rb原子bec的吸收成像 圖4.2 87rb bec原子密度的二維相空間在圖4.1中，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示：形成bec相變的躍遷溫度為170nk，處于bec的原子數(shù)大約為2103個。從圖4.2我們可以看到形成的bec都具有三個顯要的特征：（1） 每一個窄縫都出現(xiàn)在較寬的熱速度分布的中心零速度處；（2） 窄峰中的bec原子，也即量子簡并的原子數(shù)在溫度降低時得到快速增加；（3） 窄峰中的bec原子顯示出非熱力學(xué)、各向異性的速度分布。這就是判斷出現(xiàn)bec的三個公認(rèn)的證據(jù)。 自從1995年美國的康奈爾小組成功制備了第一個87rb原子bec以來，科學(xué)界一直未曾停止研究bec的腳步。至今，世界上已有40多個實(shí)驗(yàn)室同樣成功制備了87rb原子的bec。23na原子的bec:1995年11月，ketterle小組成功制備了23na原子氣體bec，該小組大膽嘗試，首次利用塞曼減速技術(shù)冷卻我們實(shí)驗(yàn)中的原子束系統(tǒng)，獲取了凝聚原子數(shù)大概是5105個，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如4.3。圖4.3 23na原子bec的吸收成像該實(shí)驗(yàn)中，他們首先將原子23na囚禁在四極磁阱和藍(lán)失諧ar+激光塞構(gòu)成的混合磁光勢阱中，然后再通過射頻蒸發(fā)冷卻技術(shù)是原子的空間相密度得到了很大的提高，在7s內(nèi)增加了6個數(shù)量級。當(dāng)原子的溫度冷卻到bec相變溫度2k以下時，23na原子凝聚體就會變成兩種分布,即各向同性的熱原子分布和各向異性的bec凝聚體分布。自從ketterle小組成功制備第一個23na原子bec以來，世界上已有4個實(shí)驗(yàn)室展現(xiàn)了23na原子的bec。7li原子的bec:1997年2月，美國的hulit小組成功制備了7li原子氣體的bec，該實(shí)驗(yàn)中用到的磁阱是永久性的磁鐵組成的。該永久性的磁鐵是軸向磁化的柱高是445 cm，直徑是222 cm，長度是254 cm。每塊磁鐵表面磁場強(qiáng)度約為5 kg，剩磁高達(dá)12 kg。這些磁鐵所用的材料是nd-fe-b，若我們采用尺度一樣的線圈電流來產(chǎn)生這么大的磁場，那么線圈中的電流大概為9 ka，普通導(dǎo)體根本不能承受這么大的電流，因此我們要增大線圈繞組，可是這會使實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸很大。六塊磁鐵的磁極按一定要求排列構(gòu)成了中心磁場強(qiáng)度不為零的ioffe磁阱。因此，hulit小組使用該永久磁鐵loffe阱成功制備了7li原子的磁囚禁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.4所示。圖4.4 7li 原子bec的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 85rb原子bec:2000年8月，維曼小組利用feshbach共振技術(shù)使穩(wěn)定的85rb原子bec得到了實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)是由磁場感應(yīng)的。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖4.5所示。在實(shí)驗(yàn)中，維曼小組先采用feshbach共振技術(shù)把原子85rb的負(fù)s波散射長度諧調(diào)成正的散射長度，這是建立已知feshbach共振技術(shù)不但可以改變原子s波散射長度大小，而且還可以改變其s波散射長度正負(fù)號的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在這之后，再觀測到了磁囚禁的85rb原子bec，它采用射頻蒸發(fā)冷卻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)磁囚禁的85rb原子bec，它的85rb凝聚原子數(shù)大概為1104個。 圖4.5 在不同磁場下凝聚85rb原子云的演化1k原子的bec:2001年11月，意大利的inguscio小組采用了協(xié)同冷卻技術(shù)使41k原子的bec得到了實(shí)現(xiàn)。這里所說的協(xié)同冷卻，就是指把一種數(shù)目相對較多的超冷原子和另一種數(shù)目相對較少的冷原子都放在一個光阱(或磁阱)中，使超冷原子和冷原子發(fā)生彈性碰撞進(jìn)而交換兩者動量和能量并使其達(dá)到新的熱平衡狀態(tài)，最終使數(shù)目較少的原子得到進(jìn)一步的冷卻。我們采用該技術(shù)能在很大程度上能改善某些原子利用常規(guī)激光冷卻和射頻蒸發(fā)冷卻技術(shù)無法達(dá)到bec相變躍遷的溫度的情況。所以，inguscio小組采用少量冷41k原子和蒸發(fā)冷卻的超冷87rb原子bec兩者間的熱化作用來冷卻41k原子氣體，使其溫度至相變溫度，從而使41k原子的bec得到了實(shí)現(xiàn)，凝聚原子數(shù)大約為1104個，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.6所示。圖4.6 雙原子樣品bec的吸收像133cs原子的bec:2003年1月，grimm 小組成功制備了全光型133cs原子的bec。而在之前，他們經(jīng)歷了無數(shù)次失敗的實(shí)驗(yàn)。由于133cs原子的s波散射的長度是負(fù)的并且負(fù)的很大，因此當(dāng)他們試圖在磁囚禁中通過射頻蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)133cs原子的bec這注定是一場悲劇。多年探索之后，他們幡然醒悟，他們想到可以嘗試在一束聚焦的co2激光束與另一束強(qiáng)聚焦的yag激光束組成的交叉的光學(xué)勢阱中通過光學(xué)勢蒸發(fā)冷卻和feshbach共振技術(shù)制備全光型133cs原子的bec。該嘗試的結(jié)果非常激動人心，實(shí)驗(yàn)中，獲得了16104 個133cs凝聚原子。1h原子bec：由于氫原子具有質(zhì)量輕和簡單的能級結(jié)構(gòu)的特性，氫原子在bec的早年探索研究中就成了首選的實(shí)驗(yàn)對象。1978年，美國的kleppner小組采用在低溫條件下相互作用力微弱的自旋極化1h 原子氣體尋求bec的真實(shí)呈現(xiàn)；1980年，荷蘭的walraven小組也展開了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)探索。他們嘗試在ioffeprichard磁阱中通過射頻蒸發(fā)冷卻技術(shù)來制備氫原子的bec?？墒牵?yàn)闅湓拥膕波散射的長度非常小并且氫原子之間的排斥力很微弱致使氫原子之間的彈性散射的速率非常低，從而使蒸發(fā)冷卻的效率嚴(yán)重地下降，甚至使蒸發(fā)冷卻在低溫下失效，這樣就致使氫原子的bec在實(shí)驗(yàn)上一直未能成功。kleppner小組邊實(shí)驗(yàn)邊思考怎樣才能克服這個困難，直至1998年，他們想通過進(jìn)一步提升蒸發(fā)冷卻的技術(shù)和增大磁囚禁的氫原子數(shù)能否使問題得到有效解決。想法付諸實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)非常成功，氫原子的bec得到真實(shí)展現(xiàn)，凝聚氫原子獲得了1109個，該實(shí)驗(yàn)中，相應(yīng)的相變的密度是1.81014cm-3，相變溫度是50k。4he原子的bec:2001年，法國的aspect小組和cohentannoudji小組兩個實(shí)驗(yàn)小組幾乎在同一時間利用不一樣的磁囚禁方案使處于123s1亞穩(wěn)態(tài)的4he原子的bec成為了現(xiàn)實(shí)，他們獲得的凝聚原子數(shù)分別是5105和5103，對應(yīng)的的相變溫度分別大概是4.7k和1k。亞穩(wěn)態(tài)4he原子bec的實(shí)現(xiàn)意義十分重大。首先，4he原子的bec很有可能研制成一種新穎的具有光子能量約為20 ev的紫外激光器；其次，擁有高能量的4he原子有可能發(fā)展成為一種靈敏度很高的單粒子的探測器。圖4.7為aspect小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖4.7 4he原子bec的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 174yb原子的bec:稀土元素174yb原子的結(jié)構(gòu)很特殊，每個原子都有兩個沒有自旋的價電子，因此原子的基態(tài)核自旋為零。因?yàn)?74yb無自旋，因此就無磁偶極矩，利用一般的rf蒸發(fā)冷卻和磁囚禁技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)bec。所以，我們需要尋求別的方法來呈現(xiàn)174yb原子bec。根據(jù)核自旋為零的特性，2003年，日本的takahashi小組通過采取不同以往的全光學(xué)冷卻和囚禁技術(shù)成功制備了174yb原子的bec，該實(shí)驗(yàn)小組首先利用由兩束紅失諧聚焦光束（=0.532m，p=10 w）構(gòu)成的交叉著的偶極光阱，再用該阱將174yb原子高密度囚禁起來，并進(jìn)一步采用光學(xué)勢蒸發(fā)冷卻技術(shù)使174yb原子的bec得到實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中，獲取的凝聚原子數(shù)為5103個， 相應(yīng)的相變的躍遷溫度是0.73k。4.2全光型bec所謂全光型bec，即是指經(jīng)過非蒸發(fā)冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)或在純的光學(xué)囚禁的bec。在2000年的時候，有一個科學(xué)小組獲得了一個關(guān)于133cs原子玻色-愛因斯坦凝聚的方案。這個科學(xué)小組是由印建平領(lǐng)導(dǎo)。所涉及到的實(shí)驗(yàn)主要是全光型的bec研究實(shí)驗(yàn)，主要的研究方向是探究磁囚禁133cs原子bec的困難。得到了一系列重要的成果，其主要研究手段涉及到囚禁和全光型冷卻?？上驳氖沁@個方案取得了成功。此后一年，又有科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了全光型87rb原子的bec。所用的技術(shù)主要是二束交叉著的聚焦的co2激光束組成的光學(xué)勢阱。這個科學(xué)小組正是chapman小組。時間到了2002年，來自salomon小組的科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了全光型7li原子的bec，并且得到了凝聚態(tài)原子2104個。用到的技術(shù)是在光學(xué)勢阱中的蒸發(fā)冷卻技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的主要工具是兩束交叉著的聚焦yag激光束。后來，這個科學(xué)小組又獲得了7li 原子的物質(zhì)波孤子。使用的技術(shù)正是比較先進(jìn)的feshbach共振技術(shù)。之后的一年是成果豐碩的一年，首先實(shí)現(xiàn)了全光型133cs原子的bec，其次實(shí)現(xiàn)了全光型174yb原子的bec。實(shí)現(xiàn)了全光型133cs原子的bec的科學(xué)小組是grimm小組。他們獲得的凝聚原子數(shù)為1.6104個。用的技術(shù)主要是是feshbach共振和光學(xué)勢蒸發(fā)冷卻技術(shù)。實(shí)現(xiàn)全光型174yb原子的bec的是takahashi小組。他們獲得的凝聚態(tài)原子數(shù)為5103 個，并且它的原子峰值密度很大，大概是4.71014 atoms/cm3。而且還獲得了對應(yīng)的相變躍遷的溫度，此溫度大概是0.73k。他們所用的技術(shù)也是光學(xué)勢阱中的蒸發(fā)冷卻技術(shù)，利用的是兩束交叉著的聚焦的紅失諧固體激光束（=0.532m，p=10 w）。在2004年4月的時候，科學(xué)家又成功制備了全光型87rb原子的bec。這些科學(xué)家全是來自chapman小組。他們觀測到了許多的科學(xué)現(xiàn)象，主要的是多自旋分量bec（也即旋量bec）。此外他們還探究了對應(yīng)的動力學(xué)。在前不久，科研人員也成功制備了全光型87rb原子的bec。采用的是一束可以壓縮的交叉的聚焦紅失諧yag激光束。這些研究最終獲得了大約3.5105個凝聚態(tài)原子。關(guān)于這樣面的科學(xué)研究還在繼續(xù)，人們期待著更多的發(fā)現(xiàn)。4.3雙阱和光晶格中bec為了研究物質(zhì)波中量子隧道效應(yīng)及其josephson效應(yīng)、囚禁冷原子（或bec原子）的干涉、雙樣品的bec性質(zhì)并實(shí)現(xiàn)了雙樣品的bec，人們提出了很多雙阱和多阱的bec方案。2002年，科學(xué)家提出了兩種比較新穎的利用線圈即載流導(dǎo)線組成的可以控制的雙磁阱方案。其中的第一種方案的雙磁阱是由一對同軸的雙ioffe磁阱串聯(lián)而成，這里的ioffe磁阱是由兩個同軸的亥姆霍茲載流線圈和兩根長直載流導(dǎo)線(導(dǎo)線中電流方向相同且兩根導(dǎo)線平行放置)組成。第二種方案中的雙磁阱是由一個均勻的偏置磁場和一根z型的載流導(dǎo)線以及一根長直的載流導(dǎo)線(導(dǎo)線中的電流方向相同)構(gòu)成，其中的長直載流導(dǎo)線放置于z型的載流導(dǎo)線的中心對稱軸上，這樣構(gòu)成了兩個串聯(lián)的z型導(dǎo)線的表面磁阱。由于兩個磁阱的磁場曲率及其梯度足夠大，磁阱中心的磁場不為零，并且兩個磁阱的囚禁中心也可以經(jīng)過改變中間直導(dǎo)線或者中間線圈中電流而調(diào)節(jié)，因此可以用來實(shí)現(xiàn)可控制的表面雙磁微阱bec及其可以控制的雙磁阱的bec。2003年，walraven等人利用相似的雙top磁阱方案展現(xiàn)了87rb原子的雙阱bec，得到的凝聚態(tài)原子數(shù)為4104個，并且分析了雙阱中bec的軸向質(zhì)心震蕩效應(yīng)。4.4固體中的bec原則上，玻色子在一定條件下均可以呈現(xiàn)bec,除此之外，還有半激發(fā)子、空穴-電子對組成的激發(fā)子及半光子準(zhǔn)粒子組成的極化聲子均可以。我們在研究bec和bec奇特的量子效應(yīng)時通常是采用的是質(zhì)量很小的準(zhǔn)粒子，這極大地減小了我們研究的困難。通常，極化聲子的質(zhì)量比電子的質(zhì)量小一萬倍，這表明極化聲子呈現(xiàn)bec所需要的溫度較高，其相變溫度要比堿性氣體高。若可以在現(xiàn)在已有的低溫技術(shù)可以達(dá)到的溫度下或者是可以在室溫下發(fā)生bec，那我們就可以根據(jù)bec的量子效應(yīng)，再通過將物質(zhì)取代光子的方法來研究激光、量子鐘或者量子計算。 2006年，由多個國家聯(lián)手展開的實(shí)驗(yàn)取得了成功制備固體中bec的突破性的進(jìn)展。該研究小組首先將光子束縛在一個空腔內(nèi)，該腔是含有許多的量子阱的半導(dǎo)體的微空腔。在此之后，我們再想辦法制備極化聲子，這里我們采用的方法是運(yùn)用激光激發(fā)半導(dǎo)體。當(dāng)極化聲子的密度到達(dá)某一個臨界值時,19k的溫度將會使極化聲子自發(fā)地結(jié)合，生成一個相干的基態(tài)，并在固體中首次顯示出空間的相干性和宏觀極化。若我們不采取這種半導(dǎo)體材料，用其它材料，那我們要想呈現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚就要在更高的溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第五章 玻色-愛因斯坦凝聚的潛在應(yīng)用展望5.1原子激光 在十幾年前，也就是1997年，原子激光得以問世。此次得到的原子激光是脈沖原子激光，它的生成是利用了23na原子的玻色-愛因斯坦凝聚生成了射頻耦合。而實(shí)現(xiàn)這一研究結(jié)果的科學(xué)小組是來自美國的ketterle小組。此后一年，科學(xué)家又成功得到了鎖模原子激光。這些科學(xué)家是來自美國耶魯大學(xué)的kasevich等人。他們采用的方法比較獨(dú)特，利用的是量子遂穿進(jìn)行干涉。把玻色-愛因斯坦原子的物質(zhì)波與沿著重力方向的一維駐波場量子遂穿。通過也稱之為交流約瑟夫森效應(yīng)的方法。時間再過一年，到了1999年，原子激光的發(fā)展得到了突破性的進(jìn)展。準(zhǔn)連續(xù)的23na原子激光沿任意方向的輸出取得了成功。在這成功的過程中科學(xué)家使用了受激的拉曼躍遷。這群偉大的科學(xué)家來自美國的phillips小組。也就在這一年，德國的科學(xué)小組在這方面也取得了突破。這個科學(xué)小組名叫hansch。他們實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的原子激光輸出。之所以得以實(shí)現(xiàn)是因?yàn)樗麄兪褂玫氖莐hz的弱射頻場。同時，他們也實(shí)現(xiàn)了87rb原子的bec，利用的是小型的四極ioffe磁阱（quip）。此后，在2002年，注定是輝煌的一年，這一年實(shí)現(xiàn)了孤子原子激光的輸出。眾所周知，孤子是當(dāng)今世界科技革命的動力，所以這一實(shí)現(xiàn)，對世界的發(fā)展起著非凡的意義。實(shí)現(xiàn)這驚世之舉的是科學(xué)家來自hulet小組，該組科學(xué)家利用的是磁場調(diào)諧feshbach共振技術(shù)以及著名的光學(xué)波導(dǎo)技術(shù)。近年來原子激光技術(shù)已經(jīng)取得了驚人的成就，原子的激光束的通量竟然達(dá)到了8.4105atomss 。隨著科技的進(jìn)步，人們期待著原子激光還有更多的突破。5.2精確測量 yb原子有非常獨(dú)特的特點(diǎn)。首先它沒有自旋，所以幾乎對磁場不會產(chǎn)生敏感性；其次，它有比較多的同位素，有四個玻色子，它們分別是168yb、172yb、174yb、176yb。另外還有兩個費(fèi)米子，分別是171yb、173yb。最后，它有很窄的躍遷譜線，這就造就了其廣泛的運(yùn)用。這是因?yàn)檐S遷譜線很窄決定了它沒有旋量的超冷yb原子和玻色-愛因斯坦凝聚應(yīng)用廣泛。最主要的應(yīng)用在：其一，在高分辨的激光光譜中運(yùn)用廣泛；其二，在精密原子的干涉計量大量運(yùn)用；其三，在基礎(chǔ)物理的問題研究中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。此外它還可以作為傳感器，也可以在精密測量中發(fā)揮作用。聞名的邁克爾遜干涉儀測光速的時候，曾經(jīng)立下了卓越的功勞，引發(fā)了狹義相對論的誕生。我們可以相信bec 原子干涉儀將會在很大程度上增加某些項目測量的精確度，對引力量子理論和廣義相對論的更深入的研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。除此之外，bec 原子干涉儀能更加精確地檢測到地球重力變化，并對地質(zhì)工作者確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一定的幫助，為探礦工作提供更加準(zhǔn)確的信息。5.3芯片技術(shù) 因?yàn)樾酒募啥热找嫣岣咔移骷臈l寬在不斷地縮小。到現(xiàn)在為止,64兆位的集成電路條寬只有0.3m。更加神奇的是在條寬只有0.1m的的集成電路上，它的兆位竟然達(dá)到了1000兆。我們稱它為特大集成電路。形象的說，小拇指寬的地方上能刻下上萬條痕跡。到現(xiàn)在為止，我們的刻痕工作是普通激光完成的。再細(xì)的條寬，激光也無法勝任在上面刻痕的工作，這是由于激光的波長使“光刻”作業(yè)精確度得到進(jìn)一步的提高受到了限制，也即是我們所說的“傳統(tǒng)芯片技術(shù)的極限”。不過不是沒有解決的辦法，我們?nèi)绻捎门cbec有關(guān)的原子激光，就能得到人們想要的結(jié)果。這些激光束會在bec的基礎(chǔ)上輸出。用這樣的辦法代替一般的激光進(jìn)行工作，必將取得很大的進(jìn)步。首先，它會提高集成電路的密度的數(shù)量級。其次，可以使得集成電路條寬的密度得到更大限度的增加。這兩者都可以提高電腦芯片的運(yùn)算速率，為生產(chǎn)生活提供更大的幫助，解決科學(xué)上的一些難度更大的運(yùn)算。近些年來，微阱玻色-愛因斯坦凝聚成了極大地?zé)衢T。這主要的原因在于在量子原子光學(xué)研究中，這是一個機(jī)遇與挑戰(zhàn)的挑戰(zhàn)并存的課題?？茖W(xué)家們在這方面已經(jīng)取得了一小部分成功，更多的研究吸引科學(xué)家投入精力。例如，原子芯片的實(shí)驗(yàn)研究是科學(xué)家們很感興趣的一項研究，它必須用到微阱玻色-愛因斯坦凝聚。此外開展集成原子光學(xué)實(shí)驗(yàn)也會用到微阱玻色-愛因斯坦凝聚。一些驕傲的研究成果擺在了世人的眼前，在2001年科學(xué)家們成功的在微電子芯片上制備了微阱87rb原子的bec。這組科學(xué)家是來自hasch小組。另外他們還成功研制了一種原子芯片，這種芯片是通過波紋導(dǎo)線磁傳送。也成功的集成了第一塊u型導(dǎo)線磁光阱（mot）。對z型導(dǎo)線玻色-愛因斯坦凝聚的研制也非常成功。這些都為bec的表面相干傳輸提供了基礎(chǔ)。此外，該組科學(xué)家甚至獲得了凝聚態(tài)原子數(shù)是5105的微阱玻色-愛因斯坦凝聚。也利用了z型載流導(dǎo)線組成的表面磁阱，為實(shí)現(xiàn)一種特殊的的相干傳輸提供了可能，這種傳輸是使超冷bec原子在磁傳送帶表面上傳輸。5.4探測方面 世界上有很多地方是肉眼不能直接觀察到的，這些新的領(lǐng)域需要用到一些探測技術(shù)，那么玻色-愛因斯坦凝聚的研究發(fā)展豐富了探測手段，找到了更多的未解之謎，為