manbet手机版2001年10月9日,

manbet手机版今年的诺贝尔物理学奖研究的是物质的一种极端状态——玻色-爱因斯坦凝聚态。manbet手机版三位共同获奖的科学家是manbet手机版埃里克·a·康奈尔manbet手机版美国科罗拉多州博尔德市，JILA和国家标准与技术研究所(NIST)manbet手机版沃尔夫冈Ketterlemanbet手机版麻省理工学院(MIT)，剑桥，马萨诸塞州，美国和manbet手机版卡尔曼manbet手机版美国科罗拉多州博尔德市，JILA和科罗拉多大学。manbet手机版瑞典皇家科学院的获奖理由是“在稀碱原子气体中实现了玻色-爱因斯坦凝聚，并对凝聚物性质进行了早期基础研究”。manbet手机版在这里，我们给出了背景和对获奖者贡献的描述。

manbet手机版揭示了物质的新状态:玻色-爱因斯坦凝聚态

manbet手机版我们周围的物质由遵循量子力学定律的原子组成。manbet手机版在正常的温度下，这通常与经典的概念一致，在这种条件下，气体的行为就像一群台球相互碰撞和撞击容器壁。manbet手机版然而，当温度降低，原子的速度降低时，它们的特性将越来越多地由量子力学原理支配。manbet手机版原子绕着它们的轴旋转——它们有自旋——这种运动被描述为自旋量子数，它必须是一个整数——一个整数——或者半整数。manbet手机版自旋为整数的粒子叫做manbet手机版玻色子,manbet手机版而自旋为半整数的则称为manbet手机版费米子。manbet手机版玻色子表现出强烈的“社会性”行为，在低温下会努力聚集在一个相同的量子态中，即能量最低的量子态。manbet手机版另一方面，费米子会互相回避。manbet手机版它们不能以完全相同的量子态出现，因此必须使用更高能量的态。manbet手机版周期系统中元素的排列可以根据原子壳层中的电子是费米子这一事实来理解。

manbet手机版早在1924年，印度物理学家s·n·玻色就对一种后来以他的名字命名的粒子进行了统计计算，即玻色子，更具体地说，就是后来被称为光子的光粒子。manbet手机版玻色对普朗克早期发现的辐射定律提出了另一种推导。manbet手机版玻色把他的研究成果寄给了爱因斯坦，爱因斯坦意识到了它的重要性。manbet手机版他把它翻译成德语并出版了。manbet手机版爱因斯坦迅速将这一理论扩展到玻色粒子，他自己也很快连续发表了两篇文章，预测当一定数量的粒子彼此足够接近，移动足够慢时，它们会一起转化为最低能量态:也就是我们现在所说的manbet手机版玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)manbet手机版发生。

manbet手机版自从这项开创性的工作发表以来，物理学家们一直希望能够实现物质的这种新的基本状态，它被期望具有许多有趣和有用的特性。manbet手机版今年的获奖者要过70年，manbet手机版埃里克·a·康奈尔manbet手机版，manbet手机版沃尔夫冈Ketterlemanbet手机版而且manbet手机版卡尔曼manbet手机版他们使用非常先进的方法，终于在1995年做到了这一点。manbet手机版这种状态是在碱原子气体中实现的，在这种状态下，这种现象可以以非常纯的方式进行研究。manbet手机版在宇宙中没有其他地方可以找到BEC在稀释气体中所代表的极端条件。manbet手机版玻色-爱因斯坦凝聚的表现在更复杂的系统中早就被观察到:超导体中成对电子的凝聚(所有电阻的丧失)和超流动性(流体中内摩擦的丧失)。manbet手机版这里也需要低温。manbet手机版这些领域的研究已经获得了多项诺贝尔奖。manbet手机版与碱原子蒸汽相反，这些量子力学系统并不简单，因为凝结现象只涉及到系统的一部分，而且所涉及的强相互作用往往掩盖了BEC现象。

manbet手机版波还是粒子?

manbet手机版根据支配微观世界条件的量子力学定律，我们通常称为粒子的东西有时会表现得像波。manbet手机版这是众所周知的，并被用于例如电子显微镜。manbet手机版早在1924年，L.德布罗意就假设了物质波的存在并表示了它们的波长manbet手机版关于粒子的动量manbet手机版病人:

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manbet手机版在哪里manbet手机版hmanbet手机版普朗克常数。manbet手机版粒子运动越慢，它的动量就越小，德布罗意波长就越长。manbet手机版根据气体动力学理论，低粒子速度对应低温。manbet手机版如果能产生足够密集的冷原子气体，粒子的物质波长将与它们之间的距离具有相同的数量级。manbet手机版正是在这一点上，不同的物质波可以“感知”彼此并协调它们的状态，这就是玻色-爱因斯坦凝聚。manbet手机版有时人们说“超级原子”的产生是因为整个复合体用一个波函数来描述，就像在一个原子中一样。manbet手机版我们也可以谈论manbet手机版连贯的问题manbet手机版和…的方式一样manbet手机版相干光manbet手机版在激光的例子中。

manbet手机版气体冷却时一般会凝结成液体。manbet手机版这是必须避免的，正如今年的诺贝尔奖得主所表明的，碱原子是可以做到的。manbet手机版对于质量为87的铷，^{manbet手机版87}manbet手机版Rb和钠及其单一的稳定同位素^{manbet手机版23}manbet手机版Na，它们都有整数原子自旋，在每种情况下，原子之间产生了弱斥力。manbet手机版可以证明，如果密度表示为a中的原子数，则BEC发生manbet手机版一个立方超过2.6。manbet手机版然后可以计算出，实际密度的原子必须以每秒几毫米的速度移动得非常慢。manbet手机版这相当于100nk(纳开尔文)量级的温度，即比绝对零度高百万分之一度。manbet手机版今年的诺贝尔奖得主们果断地使用了1997年诺贝尔物理学奖颁发的冷却和捕获中性原子的方法(S. Chu, C. Cohen-Tannoudji和W. D. Phillips)，实现了这一目标。狗万世界杯

manbet手机版激光冷却和蒸发冷却导致了BEC

manbet手机版中性原子的激光冷却是由t.w. Hänsch和a.l. Schawlow在1975年提出的。manbet手机版基本原理是在光子和原子之间交换动量。manbet手机版冷却是通过这样的安排来实现的:光子只有在与飞行中的原子正面碰撞时才能被吸收。manbet手机版然后将速度降低，主要降低到由自发发射的随机性过程所设置的极限。manbet手机版1997年的诺贝尔奖得主表明，可以通过改进的过程克服所谓的多普勒极限，从而达到相当低的温度。manbet手机版然而，冷却的原子云也必须保持在一起，这可能发生在所谓的原子陷阱中。manbet手机版它们通常在激光束和磁场的组合作用下工作。manbet手机版磁光阱(MOT)已经变得特别重要。manbet手机版几个研究小组已经使用这种方法来逼近BEC条件。manbet手机版然而进一步的冷却技术被证明是必要的，manbet手机版蒸发冷却,manbet手机版在麻省理工学院的D. Kleppner和T. J. Greytak小组中使用了这种方法。manbet手机版在这里，通过确保速度最快的原子离开原子群来冷却介质。manbet手机版剩下的地区的平均温度会降低。manbet手机版杯子里的咖啡也以类似的方式冷却!manbet手机版在原子阱中，原子被磁偶极力固定在原地。manbet手机版如果原子磁极颠倒，引力就会变成斥力。manbet手机版这可以通过射频场来实现，这是由麻省理工学院的D. E.普里查德提出的一种有效方法。manbet手机版速度最快的原子在势阱的边缘向上移动，那里的磁场(因此极开关的转换频率)很高。manbet手机版通过最初施加高频率，然后逐渐降低频率，就有可能连续地撇去热原子。manbet手机版就这样JILAmanbet手机版＊manbet手机版1995年6月，由Cornell和Wieman领导的研究小组首次成功地实现了在^{manbet手机版87}manbet手机版Rb。manbet手机版最后一个需要克服的困难是避免阱中心的原子丢失，那里的磁场为零，自发的极切换是可能的。manbet手机版通过在样品上旋转足够快的磁场，就有可能阻止原子系统地从阱中涌出。

manbet手机版1990年左右，威曼为碱原子中如何实现BEC制定了指导方针。manbet手机版重要的方面是MOT中的激光冷却和转移到一个纯磁阱中，然后可以应用蒸发冷却。manbet手机版康奈尔被威曼聘请从事这个项目，起初是作为一名“博士后”，但很快就被NIST永久聘用。manbet手机版在JILA实验中，其壮观的结果如图1所示，该过程在大约170 nK的温度下启动。manbet手机版通过提高蒸发冷却的效率，得到了温度为20 nK的纯凝结水。manbet手机版大约2000个原子留在了样品中。

manbet手机版图中所示的图像是通过突然关闭阱中的限制力而获得的，因此，原子越冷，云就膨胀得越慢。manbet手机版在预定的延迟后，使用共振激光制作了云的剪影图像，并根据云在这段时间内达到的大小计算出温度。manbet手机版该图显示了从阴影图像计算出的原子分布。

manbet手机版Ketterle独立于科罗拉多小组使用钠原子吸收并发射黄光。manbet手机版1990年，他作为博士后从德国来到麻省理工学院D. Pritchard的团队，并于1993年承担BEC项目的主要责任。manbet手机版凯特勒解决了阱中心原子损耗的问题，方法是将一束强激光聚焦在阱中心，使原子远离损耗区。manbet手机版在JILA小组发表4个月后，他就发表了钠的BEC结果。manbet手机版凯特勒展示了类似于图1所示的记录，但现在凝聚态中有更多的原子。manbet手机版因为现在可以研究的原子比以前多了几百倍，所以对凝聚态的性质进行壮观的测量成为可能。manbet手机版例如，两个独立的凝聚体，如果允许彼此膨胀，就会表现出非常明显的干涉效应(图2)，表明了物质波的相干性和长程相关性。manbet手机版Ketterle还演示了凝聚态的部分是如何在掉落在重力场中的“BEC滴”中依次切换出来的(图3)。这种现象被描述为相干物质的原子激光。

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manbet手机版图2。manbet手机版两个重叠的玻色-爱因斯坦钠原子凝聚体之间的干涉图样。manbet手机版这图像是用吸收法拍摄的。manbet手机版物质波干涉具有15微米的周期性。manbet手机版记录显示这两种凝聚体的原子是完全配位的。
manbet手机版图3。manbet手机版钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚态部分从陷阱中重复释放。manbet手机版相干物质的脉冲在引力场中下降——这种现象可以被看作是原子激光效应。manbet手机版图片的实际尺寸是2.5毫米× 5毫米。
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manbet手机版BEC领域正在爆炸式发展

manbet手机版随着JILA和MIT小组在铷和钠中BEC的精彩演示，该领域得到了爆炸式的发展，目前已有20多个小组在进行BEC实验。manbet手机版特别值得一提的是莱斯大学R. G. Hulet小组的活动。manbet手机版在那里，人们对锂同位素进行了研究^{manbet手机版7}manbet手机版Li，当两个原子靠近时，引力会产生，与之相反^{manbet手机版87}manbet手机版Rb和^{manbet手机版23}manbet手机版Na。manbet手机版在1997年的一份出版物中，该小组清楚地表明，得到了一个约1000个原子的小凝聚态，与理论预测完全一致。manbet手机版在吸引力的影响下，分子聚集时云不会坍塌，这是因为陷阱中原子的能量波动。

manbet手机版尽管已经有大量的研究小组进入了这一领域，但康奈尔、威曼和凯特勒的研究小组一直保持着领先地位，并出现了许多有趣的新结果。manbet手机版例如，JILA小组研究了凝析油中的集体激发和漩涡形成。manbet手机版Ketterle团队开发了一种改进的冷凝物成像方法，该方法不受测量的影响，因此可以多次重新测量。manbet手机版在原子之间的力中也观察到与磁场有关的共振，这些共振强烈地影响凝聚态的性质。manbet手机版此外，该小组还证明了原子激光束可以被类似地用激光束放大。manbet手机版马里兰州NIST的w·d·菲利普斯(W. D. Phillips)团队也是提出基本结果的团队之一，在其他方面证明了一种现象，即利用物质波实现非线性光学的四波混合。

manbet手机版在麻省理工学院的Kleppner和Greytak的小组使用自旋极化氢，在稀释气体中对BEC的实验研究很早就开始了，但结果是很难达到适当的条件。manbet手机版然而，最终，在JILA小组发表第一篇文章的三年多之后，氢的BEC结果发表了。manbet手机版D. Kleppner在BEC考试的竞赛中具有重要的启发意义。manbet手机版BEC最近通过巴黎的两个小组发展到覆盖更多类型的原子，他们报告了在超稳定氦原子中的凝结。

manbet手机版前景

manbet手机版稀薄气体中的玻色-爱因斯坦凝聚为基本量子力学过程的研究提供了特别丰富的可能性。manbet手机版该领域正在进行极为全面的实验和理论研究活动，包括非线性过程的研究和光传播速度的操纵。manbet手机版对其他研究领域的影响也很大。manbet手机版最近JILA小组证明了这一点^{manbet手机版85}manbet手机版Rb有可能利用上述共振在吸引和排斥原子力之间快速切换，导致凝结物的溶解，类似于超新星(“波色新星”)。manbet手机版D. Jin和他在JILA的同事对费米子在极低温下BEC相关现象的研究揭示了物理系统统计条件的新方面，预示了观察原子对形成和超流动性性质的未来可能性。manbet手机版R. G. Hulet团队已经证明，由于简并原子费米气体中费米子的排斥性，产生了向外的压力，并且可以模拟类似白矮星中的条件。

manbet手机版利用气体中的BEC现象进行基本自然现象的精确测量将成为可能，在基本静止的原子中使用尖锐的共振或尖锐的物质干涉条纹。manbet手机版BEC在光刻、纳米技术和全息术领域的革命性应用似乎指日可待。

manbet手机版* JILA是NIST(国家标准与技术研究所)和科罗拉多大学的联合研究机构。manbet手机版它的前身是实验室天体物理联合研究所。manbet手机版今天只使用缩写JILA。