【毕业论文】Feshbach共振下费米气体的BCS超流态.docVIP

Feshbach共振下费米气体的BCS超流态 摘要 随着对超冷费米原子中分子BEC以及原子的BCS转变在实验上的实现，人们对超冷费米原子气体在实验方面的研究，已经进入了一个新的阶段。对于超冷费米原子气体的过渡区，利用磁场作为外部控制手段来实现磁场Feshbach共振以改变原子间的散射长度。超冷原子气体冷却技术成功用于冷却费米气体，实现了费米气体的超流态。本文主要先介绍了玻色爱因斯坦凝聚态简介以及实现爱因斯坦凝聚态的实验技术（激光冷却技术、静磁阱技术及其发展过程、蒸发冷却技术、BEC的检测技术），接下来介绍了费米气体的制备，Feshbach共振技术和在Feshbach共振下的实验，最终得到费米超流体。 关键词 玻色爱因斯坦凝聚，BEC-BCS跨越，Feshbach共振，费米子超流 引言 1995年，气态碱金属原子的玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)的实现[1—3] 激发了人们对超冷原子的研究热情。2001年，Comell等人由于实现气态碱金属原子的BEC以及对其基本性质的研究，荣获诺贝尔物理学奖。 然而，冷却费米原子气体相对于冷却玻色气体而言，却是一项更难实现的工作。因为在低温下，费米统计对散射的相空间做了一个很大的限制，这使得由一群捕获的稀薄费米原子所构成的系统很不容易达到热平衡。另一方面，碱金属费米原子如40K和6Li，原子间的相互作用非常弱，这使得这些费米子不同自旋态间形成配对超流态的临界温度Tc才远低于目前实验技术所能达到的温度。所幸的是人们通过Feshbach共振[11]，解决了上述的问题。并且在2003年底至2004年初，结合改变原子间散射长度的Feshbach 共振[4]，对束缚在光阱中的费米原子气体，在远低于费米温度的情况下实现了分子BEC[5-6]，取得了在超冷费米原子气体方面的很大突破。随后，人们很快从实验上实现了原子库柏对的凝聚体[7]。 费米原子气体冷却至简并区技术的突破，为量子液体的研究打开了方便之门。超冷费米原子气体的获得使得实验家们很容易得到高简并状态的纯费米气体。随着磁场Feshbach共振技术在超冷费米原子气体上的应用，物理学家们可以研究共振分子的凝聚，原子的凝聚以及共振分子的BEC凝聚与原子的BCS凝聚的过渡。这对于理解BEC和BCS凝聚的本质以及研究玻色和费米液体之间的相互作用都是很重要的。进一步，这也给高温超导微观理论的研究带来了希望。 1.BEC的实现及相关技术 Bose-Einstein condensation(BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一种状态，即当温度足够低、原子的运动速度足够慢的时候，它们将集聚到能量最低的的同一量子态。此时，所有的原子就像一个原子一样，具有完全相同的物理性质。20世纪90年代以来，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大的发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。1995年对于玻色一爱因斯坦凝聚研究领域乃至整个凝聚态物理学界都是具有划时代意义的一年。JILA实验小组的 CarlWieman和 ErieCornell还有麻省理工学院的 wolfgangKetterle各自独立地在实验中得到了稀薄原子气体的玻色爱因斯坦凝聚[1]，并且共享了2001年的诺贝尔物理学奖。两个小组的实验研究对象分别是铷87Rｂ和钠23Na.[2]也是在1995年，RICE实验小组的 RandyHulet在 锂7Li当中成功观测到了玻色-爱因斯坦凝聚[3]。 根据目前的实验报道，实现BEC的实验步骤基本如下：首先利用激光冷却和囚禁技术获得大数目的高密度的超冷玻色原子气体，然后将样品装入静磁阱中，再利用射频蒸发冷却技术进一步的降低温度，提高无量纲的相空间密度，最后利用光学手段检测是否形成了BEC。有上述过程可以知道实现BEC有四种重要的实验技术；初始超冷玻色原子气体的获得、静磁阱、蒸发冷却技术和BEC的光学检测技术。 1.1激光冷却技术[7] 激光冷却时利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。 当原子在频率略低于原子跃迁能极差且相向传播的一对激光书中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小；吸收后的光子将各向同性的自发辐射。平均的看来，两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动速度减慢，气体的温度就会下降。 激光冷却气体原子的原理可概括为：（1）多普勒冷却机制，即利用原子运动所产生的多普勒平移，产生冷却效应。这种冷却机制手自然线宽的限制，最低温度可达几十至几百毫K。（2）偏振梯度激光冷却机制，又称为Sisyphus冷却，它是基于光抽运、光频移等物理效应，在多能原子系统中产生的冷却效应。偏振