《中国大百科全书(第2版)》读书笔记4039爱因斯坦凝聚

玻色-爱因斯坦凝聚 Bose-Einstein condensation;BEC

对于遵从玻色-爱因斯坦统计且总粒子数守恒的理想气体,存在一个极低但非零的转变温度,当温度低于时,占全部粒子数有限百分比的(宏观数量的)部分将聚集到单一的粒子最低能态上的现象。

《中国大百科全书(第2版)》读书笔记4039-玻色-爱因斯坦凝聚

这是1925年A.爱因斯坦将S.玻色提出的处理黑体辐射(光子气体)的方法推广到实验粒子理想气体得出的理论预言。后来被称为玻色-爱因斯坦凝聚。凝集到最低能态上的所有粒子的集合被称为玻色-爱因斯坦凝聚体。

到20世纪30年代末期,BEC的理论并没有受到物理学界广泛的关注。一般认为,凝聚需要依靠分子之间的相互作用力。对理想气体,粒子之间的相互作用已被忽略,不会发生凝聚。

由于历史条件的限制,当时物理学家(包括爱因斯坦本人在内)还不知道全同多粒子系存在量子起源的统计关联:对玻色子是有效吸引,对费米子是有效排斥。自然也就不能理解,对于玻色气体即使忽略了动力学相互作用,仍有可能在特定条件下,由于有效相互作用而发生凝聚现象。

1938年F.伦敦提出液氦()从正常态转变为超流态的λ相变可能是玻色-爱因斯坦凝聚的一种表现形式。他用爱因斯坦的公式估算出λ相变的温度为3.09K,接近实验值2.17K,并把差别归结为液氦分子之间所存在的强的相互作用的结果。

此后,BEC逐渐被人们所接受。物理学家后来认识到,无论超导相变还是超流相变,都是BEC的某种形式,但它们与理想玻色气体有很大的不同。

探索用稀薄中性原子气体实现BEC可追溯到20世纪50年代末期,海施特应用量子对应态理论计算了在强磁场下的氢原子气体,指出氢原子气体直到绝对零度都可保持为气体状态。

1976年,斯特瓦勒与偌萨诺伍重新研究了这个问题,通过计算基态能量,证明强磁场下的氢原子气体可保持到绝对零度。

80年代初,美国、法国和苏联的物理学家发展了冷却和囚禁中性原子的激光冷却和磁光囚禁以获得超低温的方法,为BEC的实现提供了必要的实验基础。

80年代中期,开始了探索用稀薄碱金属原子气体实现BEC的道路。经过不懈的努力,终于在1995年6月由美国国家标准技术研究所与科罗拉多大学联合实验室的C.E.威曼和E.A.科纳尔的研究组首先用激光冷却和蒸发冷却相结合的方法,将原子气体温度降至约170nK,观察到原子的速度分布呈现尖锐的峰,这是BEC最清楚的标志。他们还进一步将气体冷却至20nK,得到包含约2000个原子的凝聚体。

同年9月,W.克特勒研究组在原子气体中观察到BEC,并获得具有50万个原子的凝聚体。

3个共同获得2001年诺贝尔物理学奖。1998年用自旋极化原子氢实现BEC的途径,也最终获得成功。

对于满足热力学极限的均匀理想玻色气体,爱因斯坦所导出的BEC的转变温度为:

上述条件可等价第表达为无量纲相空间密度,式中n为粒子数密度,为粒子的热德布罗意波长,它随温度的降低而增大。

上式的物理意义代表时,即粒子的热德布罗意波长与粒子之间的平均距离()可比拟时,粒子波包之间将发生高度重叠,气体变成强简并的量子气体,具有强的统计关联,从而发生BEC。

可以证明,在发生BEC处比热连续但其微商不连续,因此BEC是三级相变。

实现BEC极为困难。以克特勒组的实验为例,他们将密度为个/立方厘米的稀薄钠原子气体从500K降低至50nK(温度下降了10个量级),相空间密度提高到1以实现BEC,并提高到(提高了20个量级)以获得个原子的凝聚体。

更大的困难还在于,虽然原则上能将气体冷却到以下,但大多数情况在BEC的远没有达到以前,已发生普通的气体液化甚至固化的相变。

为了实现原子气体的BEC,气体必须极为稀薄,且要求使气体达到平衡的二体弹性碰撞的弛豫时间远小于形成分子或原子集团的非弹性碰撞的弛豫时间。某些稀薄碱金属原子气体能够满足这一条件。

此外,由于碱金属原子的能级和核能级结构适合于以激光为基础的方法,使它们成为最合适的选择。

稀薄碱金属原子气体和自旋极化氢原子气体BEC的实现,开辟了物理学多个分支相互交叉的十分活跃的研究领域,它涉及原子物理学、量子光学、统计物理学及凝聚态物理学等学科。

研究包括:

①对新的量子流体(量子气体)的研究,如非均匀约束,排斥或吸引相互作用,多组分和旋量凝聚体,凝聚体的超流动性质,相互作用对热力学、动力学和元激发的影响,以及发展超出平均场理论的更为完善的理论等。

②凝聚体是一种新的物态,可用单一波函数描写,可研究这种原子波的相干效应以及相应的原子激光和原子光学。

③继续探索新的实现BEC的原子和分子气体。

④发展新的冷却和约束方法。

⑤开发原子激光器以及它在原子光学及精密测量中的应用等。


推荐书目

爱因斯坦. 爱因斯坦文集. 范岱年,译. 北京:商务印书馆,1977.


摘自:《中国大百科全书(第2版)》第2册,中国大百科全书出版社,2009年

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投稿时间:2022-05-20  最后更新:2022-05-20

标签:爱因斯坦   碱金属   氢原子   大百科全书   相互作用   稀薄   量子   粒子   原子   中国   气体   温度

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