2018-07-23 16:34:42

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物理理论
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Bose-Einstein condensation (BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的"凝聚" 与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然"凝聚"到同一状态(一般是基态)。即处于不同状态的原子"凝聚"到了同一种状态

基本信息

  • 中文名

    玻色-爱因斯坦凝聚态

  • 外文名

    Bose-Einstein condensation

  • 简称

    BEC

  • 本质

    预言的一种新物态

  • 预言者

    A.爱因斯坦

  • 比喻

    让无数原子"齐声歌唱"

折叠 编辑本段 简介

形象地说,这就像让无数原子"齐声歌唱",其行为就好像一个玻色子的放大,可以想象着给我们理解微玻色-爱因斯坦凝聚态玻色-爱因斯坦凝聚态观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质,在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。全世界已经有数十个实验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属,还有氦原子,铬原子和镱原子等。

折叠 编辑本段 发现史

折叠 概念提出

1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念,使得每个光子的能量满足爱因斯坦的光量子假设,也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设,这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了普朗克黑体辐射的半经验公式的问题。可能是当初玻色的论文因没有新结果,遭到退稿的命运。他随后将论文寄给爱因斯坦,爱因斯坦意识到玻色工作的重要性,立即着手这一问题的研究,并于1924和1925年发表两篇文章,将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒),预言当这类原子的温度足够低时,会有相变-新的物质状态产生,所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态,这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚。

1938年: FritzLondon提出液氦(He4)超流本质上是量子统计现象,也是一种凝聚行为, 并计算出临界温度为3.2K。从此BEC开始受到重视。从那时起,物理学家都希望能在实验上观察到这种物理现象,但由于找不到合适的实验体系和实验技术的限制,玻色-爱因斯坦凝聚的早期实验研究进展缓慢。

折叠 凝聚的实现

20世纪90年代以年来,由于大家所熟知的三位物理学家(Chu(朱棣文), Cohen, Phillips)的杰出工作,激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展,为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。

1995年实验观察气相原子的玻色-爱因斯坦凝聚的愿望终于实现了!第一批实现BEC的几个研究小组分别来自美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA) 、美国莱斯大学(Bradley小组)、麻省理工学院(MIT)(Wolfgang Ketterle小组 ),他们分别独立宣告在实验上观察玻色-爱因斯坦凝聚现象,在物理界引起了强烈反响,是玻色-爱因斯坦凝聚研究历史上的一个重要里程碑。

此后,有关BEC的研究迅速发展,观察到了一系列新的现象。如BEC中的相干性、约瑟夫森效应、蜗旋、超冷费米原子气体。其中许多是当年爱因斯坦和玻色未曾想象过的,BEC招致了诸多领域现代物理学家的关注。

折叠 编辑本段 冷凝态全同粒子

折叠 理论的详解

常温下的气体原子行为就象台球一样,原子之间以及与器壁之间互相碰撞,其相互作用遵从经典力学定律;低温的原子运动,其相互作用则遵从量子力学定律,由德布洛意波来描述其运动,此时的德布洛意波波长λdb小于原子之间的距离d,其运动由量子属性自旋量子数来玻色-爱因斯坦凝聚态玻色-爱因斯坦凝聚态决定。我们知道,自旋量子数为整数的粒子为玻色子,而自旋量子数为半整数的粒子为费米子

玻色子具有整体特性,在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态);而费米子具有互相排斥的特性,它们不能占据同一量子态,因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态,原子中的电子就是典型的费米子。早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态--玻色爱因斯坦冷凝态,即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时,它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时,所有的原子就象一个原子一样,具有完全相同的物理性质。全同粒子全同粒子

根据量子力学中的德布洛意关系,λdb=h/p。粒子的运动速度越慢(温度越低),其物质波的波长就越长。当温度足够低时,原子的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级上,此时,物质波之间通过相互作用而达到完全相同的状态,其性质由一个原子的波函数即可描述; 当温度为绝对零度时,热运动现象就消失了,原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态。

折叠 理论的实现

在理论提出70年之后,2001年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上实现了这一现象。

1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学波尔德分校(University of Colorado Boulder)的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的原子在170 nK(1.7x10^-7 K)的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。

实验是利用碱性原子实现的,碱性原子形成的冷凝态,是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷凝态,因此可以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。前些年的物理研究也部分的实现了玻色爱因斯坦冷凝态,例如超导中的库泊电子对无电阻现象,超流体中的无摩擦现象,但其系统特别复杂,难以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。

(它们也是获得诺贝尔物理学奖的研究成果,超流 体中的无摩擦现象1962年,超导中的库珀电子对无电阻现象1972年。)

折叠 编辑本段 碱性原子

折叠 原理

我们知道原子气体在低温时容易形成液体,利用碱性原子铷87Rb 和钠23Na可以避免液体的形成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排斥力,实验中原子的速度只有几个毫米/秒,这对应的温度为100 nK(1 nK =10的-9次方K)。这极低的温度是用激光冷却的办法(1997年的诺贝尔物理学奖成果)来达到的。其基本原理是通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目的,冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁,然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度,即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部分,磁场很强,控制原子磁极的射频场的频率很高,通过逐渐的降低频率可以把温度高的原子排出阱外,从而达到冷却的目的。道理就像茶在茶杯中变凉一样。

折叠 实现方法

在磁-光囚禁阱中原子是靠偶极磁场力来约束的,如果原子的磁极发生反转,就会使吸引力变为排斥力,因此需要用射频场来控制原子磁极的反转。但是在囚禁阱的中心电磁场为零,这就不能控制原子自旋态(磁极)的变化。为此,埃里克·康奈尔采用旋转磁场装置使原子始终不能达到磁场为零的位置,以达到控制原子自旋态的的目的,从而在1995年的6月实现了87Rb的玻色爱因斯坦冷凝态。

折叠 编辑本段 JILA

科罗拉多大学JILA研究组的实验结果显示,囚禁阱中排出的原子云形成玻色爱因斯坦冷凝态的过程俯视图,左下图为侧视图。图形为吸收图,通过共振激光照射原子云而用CCD摄取原子云的阴影(下同)。第一个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之前,第二个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之中,背景为热运动,第三个图为几乎所有的原子都形成了玻色爱因斯坦冷凝态,热运动背景为球形对称的。右边的图形显示随着温度的降低,更多的原子蒸发了。

实验图是通过从囚禁阱中排出原子云后利用共振光的阴影形成的,形成图形的大小取决于原子从囚禁阱中排出时动量的大小,实验中热运动背景为球形对称的,而玻色爱因斯坦冷凝态的峰图反映了代表动量的波函数是不对称的,这和当前的玻色爱因斯坦冷凝态理论是一致的。

因为实验是破坏性的,因此就要求有很好的可重复性。MIT的沃尔夫冈·克特勒从1990年开始也在沿着上述方法用钠原子来独立的做此研究,所不同的是,他采用强激光束来阻止原子进入囚禁阱中心磁场为零的区域[4]。沃尔夫冈·克特勒的实验成功仅落后于卡尔·维曼和埃里克·康奈尔几个月的时间,而且实验结果相当的精彩,形成玻色爱因斯坦冷凝态的原子数要高出2个量级,如图3所示,这为研究玻色爱因斯坦冷凝态的物理性质提供了更大的可能性。左图为随着温度的降低玻色-爱因斯坦冷凝态的密度增长过程,图形宽度为1.0mm,冷凝态中的原子数为7×10的5次方。右图为玻色爱因斯坦冷凝态形成过程中密度变化数据,为了清楚,上面的四条曲线是从下面移上去的。

折叠 编辑本段 MIT

折叠 研究情况

两个研究小组的实验都很好的证实了理论上对囚禁冷凝态基本性质玻色-爱因斯坦凝聚态玻色-爱因斯坦凝聚态的计算。JILA研究组通过冷却两部分样品的其中之一,通过它与另外的样品进行碰撞而达到冷却的目的,从而形成了两部分冷凝态,用实验证实了理论预言现象。MIT小组的非共振光成像方法实现了冷凝态的无损坏探测,可以对冷凝态与时间的关系进行直接的动力学观测。

折叠 玻色爱因斯坦冷凝态间的干涉现象

相位关联是玻色爱因斯坦冷凝态的一个重要的物理性质,MIT小组通过把冷凝态分为两部分而观察到了它们之间的干涉图样,证明了相位关联现象的存在。MIT研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态的干涉现象 在两部分冷凝态之间的干涉实验中,用激光束对原子的排斥力将冷凝态分为两部分,冷凝态被分为两部分之后被排出阱外在引力场中自由下落,40毫秒之后,两部分相位相关的原子云在下落过程中互相扩大到一起,因为它们之间的相位是一致的,故在原子云叠加的区域出现了干涉现象。图中的干涉图是激光吸收图,图形宽度为1.1毫米,干涉图形的条纹间距为15微米,这对应着非常大的物质波长,常温下的原子德布洛意波长只有0.05纳米,小于原子的尺度,因此这是一个重要的冷凝态相位相关现象。

折叠 编辑本段 玻色凝聚态光

虽然玻色-爱因斯坦凝聚很难理解也很难制作,但它们也有许多非常有趣的特性。比如它们可以有异常高的光学密度差。一般来说凝聚的折射系数是非常小的。因为它的密度比平常的固体要小得多。但使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态,使它对一定的频率的系数骤增。这样光速在凝聚内的速度就会骤降,甚至降到数米每秒。所以会用玻色-爱因斯坦凝聚来降低光速。

自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型,入射的光不会逃离。凝聚也可以用来"冻结"光,这样被"冻结"的光在凝聚分解时又会被释放出来。

最近有新闻在报道"液态光",标题为:《人类首次在室温下造出液态光》。

其实通过上面文章的分析,大家应该就知识了这个"液态光"的概念就和玻色-爱因斯坦凝聚有关。

文章指出此次突破由意大利CNR纳米技术研究所和加拿大蒙特利尔理工学院的科研人员共同完成,相关论文发表在 6 月 5 日的《自然·物理》上。该研究的成功实施为量子流体力学的进一步发展铺平了道路,也可能为室温超导的实现方法以及新型电子元件提供灵感。

图丨上图为一般液体碰到障碍的反应;下图为液态光碰到障碍的反应

在某些特定情况下,光的确可以变成液体,成为一种超流体,但是,要实现这种效应需要非常苛刻的条件,因为液态光属于玻色-爱因斯坦凝聚态--这种凝聚态的又称为"物质的第五态"一般情况下,类似的物态只能在接近绝对零度(零下摄氏273度)的低温下出现。

团队首席科学家、来自意大利 CNR 纳米技术研究所的 Daniele Sanvitto说:"此次工作中最不同寻常的是,我们证明了超流体现象也可以在室温的环境条件下实现"。

图丨该项目的两位负责人Daniele Sanvitto 和 Stéphane Kéna-Cohen

研究团队的另一名负责人 Stéphane Kéna-Cohen 则描述了液态光一个更为戏剧化的效果:不同于一般液体,液态光遇到障碍只会平滑地绕过去,不会产生任何波纹和漩涡,表现出零摩擦和零粘性这两个特性。

图丨随着能量的增加,流体在经过物质时逐渐有了超流体的性质。

不难看出,液态光的制备方法与金属超导的实现方法有相似之处:两者都只能在极其低温的条件下才能被观察到,而且持续的时间非常短。

那么,这一次科学家是如何在室温条件下制造出液态光的?据Stéphane Kéna-Cohen介绍,为了达到这个目的,他们把一个 130 纳米厚的有机分子切片放在了两个反射率极高的镜片之间,形成一种类似三明治的结构。

然后,研究人员用周期为 35 飞秒的激光脉冲轰击这个系统,使得光子在镜片间来回弹射。在这个过程中,光子与中间的有机分子急速交错,从而形成了一种具备光-物质二元属性的液态光。简而言之,光子和有机分子中的电子相耦合便形成了液态光。

该实验中的这种耦合体叫做极化激元,是一种准粒子。它是由电磁波之间的强烈耦合以及带有电偶极子或磁偶极子的激发作用中诞生。简单来说,极化激元的形成也可看为一颗受激的光子。

极化激元-超流体的概念最早于2007年就被提出,当时的研究者就提出了假设,这类超流体的最大特点之一就是有可能在室温下被实现。

这次的突破将对未来的学术研究和实际应用产生巨大影响。在学术研究上,除了可以让科学家在常温下研究与玻色-爱因斯坦凝聚态相关的基本现象,液态光还可以为量子流体力学提供更好的研究对象。

至于其实际效用,Stéphane Kéna-Cohen说:"这次成果不但展现了有关玻色-爱因斯坦凝聚态的基础性质,还能启发我们设计未来的光子超流体设备,这些设备很可能实现能量上的零损耗"。

此前,在与该实验原理相似的超导体研究中,制造接近零电阻的材料往往需要进行严格的极度冷冻处理。如果利用本次的液态光制备方法,工程师可以在室温条件下生产出更高效的超导材料设备,例如激光器、发光二极管、太阳能电池板和光伏电池等,而且这些装置可以在很大程度上避免光子跟障碍物接触带来的能量损失。

这就是新闻中的主要介绍,很多人看了会迷糊。我给大家简单分析一下。

首先大家要知道,超流体,超导现象往往是玻色-爱因斯坦凝聚态的具体表现。

但一般要出现超流体和超导现象的条件很苛刻。其中之一就是温度要非常低,非常接近绝对零度。

而这一次是在室温下完成的这个"液态光"实验,突破了温度要求,所以是个突破。也就是说这些科学家用"极元激化"这个耦合机制,使得光子处于了玻色-爱因斯坦凝聚态。就相当于控制了光的速度,和流动性质。

但"液态光"这个词只是形象的比喻,和液态的其他东西,比如水,有很大的区别。我们可以说淘一瓢水出来,但你不可能淘一瓢液态光出来,然后再把它洒在地上。

还有大家要清楚的明白,玻色-爱因斯坦凝聚态的出现,其根源是玻色子服从玻色-爱因斯坦统计。 否则费米子凝聚态就和玻色-爱因斯坦凝聚没有任何差别了。就不会出现"费米子凝聚态"这个词。

摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

折叠 编辑本段 原子激光

为了利用相位一致的原子云,就必须把它排出阱外而不损坏它的量子力学性质,MIT研究小组在实验上实现了这一目的。从冷凝态中可以得到原子脉冲,因为冷凝态的相位一致性,这些从冷凝态出来的原子脉冲仍然保持此特性,就象从激光器中发出的光子一样,因此,这种现象称为"原子激光","原子激光"就是能够产生大量相位一致的原子束,像激光中的光子束一样。大量的相位一致的原子在囚禁阱中产生(玻色爱因斯坦冷凝态),然后通过输出装置把原子束从阱中排出。

JILA研究组还研究了冷凝态涡流的形成和集体激发等方面的物理特性,MIT研究组还进一步发展了冷凝态的无损坏成像技术使得多次测量成为可能;观测到了对冷凝态特性有重要影响的原子间作用力的磁场依赖性;另外还观测到了"原子激光"有与普通激光相似的增益现象。

折叠 编辑本段 第五态

如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去,比如说,接近绝对零度(-273.15℃)吧,在这样的极低温下,物质又会出现什么奇异的状态呢?

这时,奇迹出现了--所有的原子似乎都变成了同一个原子,再也分不出你我他了!这就是物质第五态--玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称"玻爱凝聚态"-- 玻色-爱因斯坦凝聚态)

这个新的第五态的发现还得从1924年说起,那一年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,提出了一种关于原子的新的理论,在传统理论中,人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的,我们可以给一个原子取名张三,另一个取名李四……,并且不会将张三认成李四,也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定,认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视,他将玻色的理论用于原子气体中,进而推测,在正常温度下,原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列),但在非常低的温度下,大部分原子会突然跌落到最低的能级上,就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方,练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令"向前齐步走",于是他们迅速集合起来,像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),它表示原来不同状态的原子突然"凝聚"到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而,实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾:一方面需要达到极低的温度,另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢?这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体,金属原子气体有一个很好的特性:不会因制冷出现液态,更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了,下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展,人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进,终于在玻色-爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月,两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后,这个领域经历着爆发性的发展,世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻爱凝聚态有很多奇特的性质,请看以下几个方面:

这些原子组成的集体步调非常一致,因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚,在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波,这种波带电,传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动,可以用来设计精确度更高的原子钟,以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性,2001年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零,将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域,例如,利用磁场调控原子之间的相互作用,可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象,甚至还可以用玻色-爱 因斯坦凝聚体来模拟黑洞

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