什么是玻色-爱因斯坦凝聚？(玻色爱因斯坦凝聚介绍)_网络百科

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玻色爱因斯坦凝聚 Bose-Einstein condensation (BEC) 是爱因斯坦在 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”到同一状态（一般是基态）。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。现在全世界已经有数十个实验室实现了 8 种元素的 BEC。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， BEC 招致了诸多领域现代物理学家的关注，相关工作已有 6 人次获得诺贝尔物理学奖。

一、 Bose Einstein 凝聚的实验实现的具体步骤如下：首先利用激光冷却和捕陷技术，获得大数目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降低温度，最后利用光学手段检测是否形成了 BEC。

1. 玻色冷原子气体的产生及静磁阱技术

这主要是利用中性原子的激光冷却和捕陷技术来完成，实验上基本采用磁光（可以为磁阱或者光阱）阱捕获和初步冷却足够多的冷原子，然后撤掉磁场，用光学粘团法进一步冷却原子样品，以获得大量的高密度的超冷原子。

结构简单的静磁阱是反向亥姆霍兹线圈形成的四级阱，这种静磁阱的磁场强度在磁场中心处为零，在其附近磁场方向变化剧烈。原子经过磁场零点时，它的自旋取向可能发生变化。对于自旋取向反转的原子，势场零点为势能最高点，原子会溢出阱外。由于存在上述的漏洞，严重地限制了阱中原子密度的增加。为克服它的影响，可以采用“TOP”阱、“loffe”阱等办法。它们都可以有效的解决普通四级静磁阱中心存在的“原子泄漏”问题，为提高阱中原子相空间密度、实现 BEC 提供了关键的技术保证。

2. 蒸发冷却技术及玻色爱因斯坦凝聚的检测技术

蒸发冷却是有选择地把磁阱中能量较高的原子释放出来，然后剩下地原子通过弹性碰撞重新达到温度更低的热平衡，如此反复不断降低原子气体的温度。在实现 BEC 的过程中，蒸发冷却（为避免磁场过小，剩下的原子过少）由一个射频场来完成的。在磁阱中，能量较大的原子可达到磁场较强的地方，产生的塞曼分裂也较大。可选择适当的射频场频率，使这些原子跃迁到非囚禁的自旋态而溢出磁阱，通过把射场频率慢慢降低，迫使更多能量较高的原子溢出磁阱。于是，阱中原子密度和弹性碰撞几率增加，温度变低，最终的温度和相空间密度取决于最后的射频场频率。

观测 BEC 的形成可采用共振吸收成像技术，用这种技术可以确定原子的数目、密度以及原子的空间分布。

可发生 BEC 的粒子 / 准粒子列表：

· photons (Klaers 2010)

· excitons (Dai 2011)

· polaritons (Kasprzak 2006)

· helium (atoms: Santos 2001, molecules: Zwierlein 2003)

· sodium (Davis 1995)

· rubidium (Anderson 1995)

· strontium (Stellmer 2010)

· calcium (Kraft 2009)

· lithium (Bradley 1997)

· cesium (Weber 2003)

· hydrogen (Fried 1998)

· chromium (Griesmaier 2005)

· potassium (Modugno 2001)

· Yb (Takeshi Fukuhara, Seiji Sugawa, Yoshiro Takahashi 2007)

· magnon (S. O. Demokritov et al. 2006)

· phonon (O.V.Misochko 2004)

· Er (10.1103/PhysRevLett.108.210401)

· Dy (10.1103/PhysRevLett.107.190401)

讲一点理论。

无相互作用的极端非相对论理想玻色气体，其激发态粒子数符合以下公式：

$\frac{N-N_0}{V} = \frac{1}{\lambda^3}g_{3/2}(z)$

其中

$\lambda$

是 de Brogile 热波长：

$\lambda = \sqrt{\frac{h^2}{2\pi m k_{\rm{B}}T}}$

$g_{\nu}(z)$

是 Bose-Einstein 积分，且自变量跟化学势有关：

$g_{\nu}(z) = \int \frac{x^{\nu-1}}{z^{-1}e^{x}-1} {\rm{d}}x$

$z=e^{\beta \mu}$

而这个积分在

$z=1$

时取到最大值。这样就可以看出，只要

$N>\frac{V}{\lambda^3} g_{3/2}(1)$

余下的粒子激发态装不下，必须全部跑到基态去，这样就会得到一个 BEC 相。

或者不调节粒子数，保持

$N$

和

$V$

为常量，改为调节温度，则可以预测，在一个临界温度之下，就会出现 BEC 相：

$T<T_{c} = \frac{h^2}{2\pi m k_{\rm{B}}}\Big\{ \frac{N}{Vg_{3/2}(z)} \Big\}^{2/3}$

上边粒子数的推导，要用到理想完全非相对论气体的态密度

$\begin{aligned} N & = \sum_{\varepsilon} \frac{1}{z^{-1}e^{\beta\varepsilon}-1} \\ & = \int \frac{(\frac{2\pi V}{h^3})(2m)^{3/2}\varepsilon^{1/2}{\rm{d}}\varepsilon}{z^{-1}e^{\beta\varepsilon}-1} \\ & = \frac{2\pi}{h^3}(2m)^{3/2}\int_{0}^{\infty} \frac{\varepsilon^{1/2}}{z^{-1}e^{\beta\varepsilon}-1} {\rm{d}}\varepsilon + N_0 \\ & = \frac{V}{\lambda^3}g_{3/2}(z) + N_0 \end{aligned}$

感谢看到这里的网友们。这里再放一张我受华东师范大学光学国家重点实验室副主任武老师指导，用纯分子动力学模拟做的一个 He 气体动量分布降温后随时间改变的图。可以看出降温后，动量分布确实变得非常小。但是要实现 MD 模拟 BEC，还需要使用路径积分动力学。我这个只是当时为了教学使用，所以不很严格。

什么是玻色-爱因斯坦凝聚？(玻色爱因斯坦凝聚介绍)

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