玻色爱因斯坦凝聚和原子激光.docVIP

玻色爱因斯坦凝聚和原子激光 玻色爱因斯坦凝聚（BEC）的实现和在此基础上实现的原子激光（atom laser），是本世纪物理学的重大突破性进展，对今后科学技术的发展将产生如同1960年激光的发明对后来科技发展一样的深远影响．BEC和原子激光的研究已成为当前物理学发展的前沿和热点．它标志着人类从相干电磁波的世界进人了相干物质波的世界． llEC是物质存在的一种特殊状态，它是继固态、气态、液态、等离子态之后第五种物质存在方式，具有许多奇异的光学、热学、力学和电磁学等物理特性．将玻色爱因斯坦凝聚体中的原子相干的耦合输出，就可得到一种性能全新的相干物质波源——原子激光．对BEC和原子激光的物理性质、包含的物理过程、形成的机制和形式的研究，不仅其本身具有重大的科学意义，而且还可以通过这种系统去认识和检验自然界的一些现象，发现新的规律．同时，玻色爱因斯坦凝聚和原子激光也会对测量、原子钟、纳米技术、全息术等领域产生深远的影响． 玻色爱因斯坦凝聚 1 玻色爱因斯坦凝聚的研究历史 1924年，印度物理学家 Bose S．N．寄给爱因斯坦一篇文章，该文将光子作为全同粒子气体推导了黑体辐射的普朗克公式．爱因斯坦又将玻色的理论推广到全同粒子或全同分子气体，同时，他还预言，在足够低的温度下，自旋为h整数倍的粒子将聚集在系统的最低能态上，、形成高简并度的粒子体系．这种高度简并的粒子体系我们称之为玻色爱因斯坦凝聚体．BEC是玻色爱因斯坦凝聚的英文字头（Bose－Einsteil．Condensation）的缩写． 从他们提出这种思想以后，对BEC理论和实验的研究就一直没有间断过，从1947年开始的超流液态氦和1980年开始的氧化亚铜的研究，在实验上都观察到了量子简并的特性，但是由于这样的系统中具有很强的相互作用，不能被看作是纯的玻色爱因斯坦凝聚的实现．八十年代中期，激光冷却和捕获技术得到了很大发展，几个研究组提出了冷却的面金属原子可以形成只有很弱相互作用的BEC．在不断解决BEC的一系列技术后，1995年；铷、锂、钠三种碱金属原子稀薄气体的BEC终于实现了．值得一提的是，人们在1959年就开始自旋极化氢原子BEC的研究，但实验上一直没有观察到，在碱金属原子的BEC实现波捷，氢原子的BEC终于在1998年实现了．今天，物理学家认识到，BEC实际上是一类涉及物理学的大部分领域的普遍的物理现象，包括凝聚态物理、核物理、基本粒子物理、原子分子物理和光物理、天体物理等．BEC系统可以是气体、液体、固体、原子核、基本粒子、中子星或超新星中的物质等．因此，BEC的研究将是ZI世纪的物理学热点问题之一． 2 玻色爱因斯坦凝聚的基本特征 玻色爱因斯坦凝聚是建立在粒子的不可分辨性和粒子的波动性基础上的，而这两点正是量子力学的核心．按照海森堡测不准关系，气体中的原子可以看作是具有和德布罗意波长同数量级的波包，而粒子的德布罗意波长λdB=（2π／mkBT）1／2，kB为玻尔兹曼常数，m为原子质量，T为气体温度．我们可以看到，随着气体温度的降低，气体的德布罗意波长将增大，当德布罗意波长增大到和粒子间的距离可比拟时，原子波函数将会重叠，粒子的不可区分性就变的非常重要，大量的粒子就会占据相同的能态，玻色系统经历从无序到有序的相变，形成BEC．此时，相变温度和原子的密度n应满足关系nλ3＝ 2．612． 玻色爱因斯坦凝聚是稀薄的玻色气体在动量空间的凝聚．这里的玻色子是指具有总自旋为h的整数倍的粒子，或者说，原子中包含的电子、中子和质子的总的数目是偶数的粒子．这种粒子的分布遵从玻色爱因斯坦统计．这里稀薄气体的条件是na3l，a是s波的散射长度，它用来表征原子间的距离，n是原子的密度．对于碱金属原子，一般有 na3＝10－5～10－6．这个条件保证了kBTc（ Tc为相变的临界温度）比原子内部的激发能小得多，这样，在临界温度下，描述热动力学的内部自由度就变得微不足道了． 玻色爱因斯坦凝聚是一个热力学的动态平衡过程．凝聚体和非凝聚体之间通过碰撞不断地进行着能量的交换，凝聚的原子会成为非凝聚原子，非凝聚原子也会变为凝聚原子．同时，凝聚原子和背景气体的碰撞会大大降低凝聚体的寿命，对于碱金属原子，要得到一分钟以上寿命的凝聚体，要求欧的真空度达到10－11毫巴． 整个玻色爱因斯坦凝聚体可以用一个宏观波函数表示．对于理想气体，所有的玻色凝聚原子都具有相同的单粒子基态波函数，多体基态波函数就是N个相同单粒子波函数的乘积．因此，单粒子基态波函数也就是凝聚体的波函数或称宏观波函数，它可以从非线性薛定鄂方程的解得到．即使考虑了粒子间的相互作用，按照 Bogoliubov理论，碱金属原子也只有1％或更少量子信息的损失，这与液氦的情况是截然不同