玻色-愛因斯坦凝聚及其研究進(jìn)展簡述

玻色-愛因斯坦凝聚及其研究進(jìn)展姓名：于超宇 專業(yè)班級： 201505080226第1章前言玻色-愛因斯坦凝聚實際是一類涉及原子分子物理學(xué)、 量子光學(xué)、 統(tǒng)計物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)等相關(guān)物理學(xué)中許多領(lǐng)域的普通物理現(xiàn)象。 1925年愛因斯坦根據(jù)玻色能量統(tǒng)計分布規(guī)律預(yù)言：當(dāng)玻色系統(tǒng)的溫度降低到一定程度，理想的全同玻色子會在動量空間最低能態(tài)上聚集， 并達(dá)到宏觀的數(shù)量。 這就是玻色 -愛因斯坦凝聚，而這種宏觀數(shù)量級的原子凝聚在同一狀態(tài)可視為一種新物態(tài)。這一物質(zhì)形態(tài)具有的奇特性質(zhì)，在芯片技術(shù)、精密測量和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有美好的應(yīng)用前景。全世界已經(jīng)有數(shù)十個實驗室實現(xiàn)了 9種元素的 BEC（玻色 -愛因斯坦凝聚態(tài)）。主要是堿金屬，還有氦原子，鉻原子和鐿原子等。而本論文著手于玻色 -愛因斯坦凝聚現(xiàn)象的理論與凝聚態(tài)的應(yīng)用，對當(dāng)下最新研究進(jìn)展與研究結(jié)果進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，介紹達(dá)成凝聚態(tài)的幾種方式以及對凝聚態(tài)在芯片技術(shù)等方面的的應(yīng)用進(jìn)行介紹。第2章玻色-愛因斯坦凝聚的研究歷史玻色-愛因斯坦凝聚的起源與發(fā)展1924年印度物理學(xué)家玻色提出以不可分辨的 n個全同粒子的新觀念， 使得每個光子的能量滿足愛因斯坦的光量子假設(shè)，也滿足波爾茲曼的最大機率分布統(tǒng)計假設(shè)，這個光子理想氣體的觀點可以說是徹底解決了普朗克黑體輻射的半經(jīng)驗公式的問題。可能是當(dāng)初玻色的論文因沒有新結(jié)果，遭到退稿的命運。他隨后將論文寄給愛因斯坦，愛因斯坦意識到玻色工作的重要性，立即著手這一問題的研究，并于 1924和1925年發(fā)表兩篇文章，將玻色對光子 （粒子數(shù)不守恒 ）的統(tǒng)計方法推廣到原子（粒子數(shù)守恒 ），預(yù)言當(dāng)這類原子的溫度足夠低時，會有相變—新的物質(zhì)狀態(tài)產(chǎn)生，所有的原子會突然聚集在一種盡可能低的能量狀態(tài)，這就是我們所說的玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。1938年:FritzLondon提出液氦（He4）超流本質(zhì)上是量子統(tǒng)計現(xiàn)象， 也是一種凝聚行為,并計算出臨界溫度為 3.2K。從此 BEC開始受到重視。 從那時起 ,物理學(xué)家都希望能在實驗上觀察到這種物理現(xiàn)象 ,但由于找不到合適的實驗體系和實驗技術(shù)的限制,玻色 -愛因斯坦凝聚的早期實驗研究進(jìn)展緩慢。20世紀(jì)90年代以年來,由于大家所熟知的三位物理學(xué)家（Chu（朱棣文） ,Cohen,Phillips） 的杰出工作，激光冷卻與囚禁中性原子技術(shù)得到了極大發(fā)展，為玻色 -愛因斯坦凝聚奇跡的實現(xiàn)提供了條件。1995年實驗觀察氣相原子的玻色 -愛因斯坦凝聚的愿望終于實現(xiàn)了 !第一批實現(xiàn)BEC的幾個研究小組分別來自美國科羅拉多大學(xué)實驗天體物理聯(lián)合研究所（JILA）、美國萊斯大學(xué)（ Bradley小組）、麻省理工學(xué)院 （MIT）（Davis等人），他們分別獨立宣告在實驗上觀察玻色 -愛因斯坦凝聚現(xiàn)象 ,在物理界引起了強烈反響是玻色-愛因斯坦凝聚研究歷史上的一個重要里程碑。此后，有關(guān) BEC的研究迅速發(fā)展，觀察到了一系列新的現(xiàn)象。如 BEC中的相干性、約瑟夫森效應(yīng)、蝸旋、超冷費米原子氣體。其中許多是當(dāng)年愛因斯坦和玻色未曾想象過的， BEC招致了諸多領(lǐng)域現(xiàn)代物理學(xué)家的關(guān)注。學(xué)術(shù)原理考慮由 N個全同、近獨立的玻色子組成的系統(tǒng)，溫度為 T、體積為 V，為明確起見，假設(shè)粒子的自旋為零，根據(jù)玻色分布，處在能級為 l的粒子數(shù)為lTOC\o"1-5"\h\zal lekT 1 （2-1）由于處在同一能級的粒子數(shù)不能取負(fù)值，則可知這要求對每一個能級 l都要有l(wèi)，若取最低能級為能量的零點，則有 0。化學(xué)勢又可由1 lNnVll V2-2)ekT2-2)確定，為溫度 T與粒子數(shù)密度 n=N/V的函數(shù)。 從式子可看出在粒子數(shù)密度 n確定μ必然越高。對（ 1-2）中的求和轉(zhuǎn)換為積分可得h33(2m)212d0ekT1h33(2m)212d0ekT12-3)TC時趨近于 -0.此時解TCh22.612)23mk23(n)2-4)將（1-2將（1-2）求和用積分代換，將在能級 0的粒子數(shù)密度單獨列，則可得到n0(T)32n0(T)32h3(2m)2012dnekT12-5)令x/kT并計算上式第二項得n0h33 2n0h33 2d(2m)20ekT1T32n()2TCTC時，n0接近零，則有宏觀數(shù)量級粒子處在基態(tài)。第 3章 實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚在什么樣的條件下，我們得到玻色 -愛因斯坦凝聚態(tài)呢？根據(jù)第二章推導(dǎo)，我們知道形成玻色 -愛因斯坦凝聚態(tài)需要溫度低于特征溫度 TC，由（ 1-4）可推得n32.612 （3-1）其中，λ為物質(zhì)波波長。當(dāng)溫度低于極限溫度時，即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現(xiàn)玻色 -愛因斯坦相變。在實驗中，如何增加原子相密度、降低原子溫度是實現(xiàn)玻色 -愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵。激光冷卻和捕陷原子自玻色 -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)在實驗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。 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實驗中，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， 但是這距離實現(xiàn) BEC所需要的值仍小 105～106倍。為了實現(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，使其運動發(fā)生變化的過程(如捕陷和冷卻)實質(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，實驗中該技術(shù)使原子氣27體的溫度降低了 5個數(shù)量級，從 10-2K降低到了 10-7K。由于溫度越低，原子的運動越慢。因此，實驗中，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驗中每秒幾厘米甚至更低， 這為我們實現(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)，實現(xiàn)玻色 -愛因斯坦凝聚是不可能做到的。在稀薄堿金屬原子氣體中實現(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。而實驗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)行實驗。該實驗成功的關(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=10-9K)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。實驗中，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)得到實現(xiàn)?？墒牵?-光囚禁阱中有一點的電磁場為零，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)實現(xiàn)了堿金屬原子 87Rb的BEC。第4章凝聚態(tài)的應(yīng)用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)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)行的鉆研在科學(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。原子芯片給芯片表面的金屬導(dǎo)線通上一個適度的電流 ,即可以產(chǎn)生一個有著很大磁場梯度的微型磁阱 ,這樣的磁阱實現(xiàn)了芯片表面的 BEC(玻色愛因斯坦凝聚態(tài))利用芯片表面的微型磁阱實現(xiàn) BEC,展現(xiàn)了原子芯片一個潛在的優(yōu)勢 :通過芯片表面微細(xì)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,可以實現(xiàn)許多很復(fù)雜的勢場 .利用芯片表面的微型磁阱實現(xiàn) BEC,展現(xiàn)了原子芯片一個潛在的優(yōu)勢 :通過芯片表面微細(xì)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計 ,可以實現(xiàn)許多很復(fù)雜的勢場 .如圖4-1中,在實現(xiàn)

BEC的C1區(qū)域的右方 ,還有一個可以實現(xiàn)對原子進(jìn)行傳遞的“磁傳送帶” .H‐nsel等人在原子芯片表面實現(xiàn) BEC之外 ,同時也在芯片表面實現(xiàn)了對 BEC的傳遞 ,如圖4-2所示.在原子芯片表面實現(xiàn) BEC,這在當(dāng)前集成原子光學(xué)領(lǐng)域可以稱得上是里程碑性的工作 .基于原子芯片的實驗設(shè)計非常簡單和通用 ,而相應(yīng)的勢場則非常精細(xì)可以預(yù)見將來原子芯片中的 BEC實驗還會取得更多豐碩的成果。圖4-1 圖4-2參考文獻(xiàn)何明,王謹(jǐn),涂鮮花,諶維浩,江開軍,周欣,李若虹,李可,詹明生.集成原子光學(xué) :原子芯片[J].物理,2003,(06):370-374.謝世標(biāo).玻色——愛因斯坦凝聚的研究[J].廣西物理 ,2002,(03):4