玻色-愛(ài)因斯坦凝聚及其研究進(jìn)展簡(jiǎn)述

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚及其研究進(jìn)展姓名：于超宇專業(yè)班級(jí)：201505080226第1章前言玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)際是一類(lèi)涉及原子分子物理學(xué)、量子光學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)等相關(guān)物理學(xué)中許多領(lǐng)域的普通物理現(xiàn)象。1925年愛(ài)因斯坦根據(jù)玻色能量統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律預(yù)言：當(dāng)玻色系統(tǒng)的溫度降低到一定程度，理想的全同玻色子會(huì)在動(dòng)量空間最低能態(tài)上聚集，并達(dá)到宏觀的數(shù)量。這就是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，而這種宏觀數(shù)量級(jí)的原子凝聚在同一狀態(tài)可視為一種新物態(tài)。這一物質(zhì)形態(tài)具有的奇特性質(zhì)，在芯片技術(shù)、精密測(cè)量和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有美好的應(yīng)用前景。全世界已經(jīng)有數(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了9種元素的BEC（玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)）。主要是堿金屬，還有氦原子，鉻原子和鐿原子等。而本論文著手于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象的理論與凝聚態(tài)的應(yīng)用，對(duì)當(dāng)下最新研究進(jìn)展與研究結(jié)果進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，介紹達(dá)成凝聚態(tài)的幾種方式以及對(duì)凝聚態(tài)在芯片技術(shù)等方面的的應(yīng)用進(jìn)行介紹。第2章玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的研究歷史2.1玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的起源與發(fā)展1924年印度物理學(xué)家玻色提出以不可分辨的n個(gè)全同粒子的新觀念，使得每個(gè)光子的能量滿足愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)，也滿足波爾茲曼的最大機(jī)率分布統(tǒng)計(jì)假設(shè)，這個(gè)光子理想氣體的觀點(diǎn)可以說(shuō)是徹底解決了普朗克黑體輻射的半經(jīng)驗(yàn)公式的問(wèn)題?？赡苁钱?dāng)初玻色的論文因沒(méi)有新結(jié)果，遭到退稿的命運(yùn)。他隨后將論文寄給愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦意識(shí)到玻色工作的重要性，立即著手這一問(wèn)題的研究，并于1924和1925年發(fā)表兩篇文章，將玻色對(duì)光子(粒子數(shù)不守恒)的統(tǒng)計(jì)方法推廣到原子(粒子數(shù)守恒)，預(yù)言當(dāng)這類(lèi)原子的溫度足夠低時(shí)，會(huì)有相變—新的物質(zhì)狀態(tài)產(chǎn)生，所有的原子會(huì)突然聚集在一種盡可能低的能量狀態(tài)，這就是我們所說(shuō)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象。1938年:FritzLondon提出液氦(He4)超流本質(zhì)上是量子統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象，也是一種凝聚行為,并計(jì)算出臨界溫度為3.2K。從此BEC開(kāi)始受到重視。從那時(shí)起,物理學(xué)家都希望能在實(shí)驗(yàn)上觀察到這種物理現(xiàn)象,但由于找不到合適的實(shí)驗(yàn)體系和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制,玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的早期實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展緩慢。20世紀(jì)90年代以年來(lái),由于大家所熟知的三位物理學(xué)家（Chu（朱棣文）,Cohen,Phillips)的杰出工作，激光冷卻與囚禁中性原子技術(shù)得到了極大發(fā)展，為玻色-愛(ài)因斯坦凝聚奇跡的實(shí)現(xiàn)提供了條件。1995年實(shí)驗(yàn)觀察氣相原子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的愿望終于實(shí)現(xiàn)了!第一批實(shí)現(xiàn)BEC的幾個(gè)研究小組分別來(lái)自美國(guó)科羅拉多大學(xué)實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所(JILA)、美國(guó)萊斯大學(xué)（Bradley小組）、麻省理工學(xué)院(MIT)（Davis等人），他們分別獨(dú)立宣告在實(shí)驗(yàn)上觀察玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象,在物理界引起了強(qiáng)烈反響,是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚研究歷史上的一個(gè)重要里程碑。此后，有關(guān)BEC的研究迅速發(fā)展，觀察到了一系列新的現(xiàn)象。如BEC中的相干性、約瑟夫森效應(yīng)、蝸旋、超冷費(fèi)米原子氣體。其中許多是當(dāng)年愛(ài)因斯坦和玻色未曾想象過(guò)的，BEC招致了諸多領(lǐng)域現(xiàn)代物理學(xué)家的關(guān)注。2.2學(xué)術(shù)原理考慮由N個(gè)全同、近獨(dú)立的玻色子組成的系統(tǒng)，溫度為T(mén)、體積為V，為明確起見(jiàn)，假設(shè)粒子的自旋為零，根據(jù)玻色分布，處在能級(jí)為的粒子數(shù)為（2-1）由于處在同一能級(jí)的粒子數(shù)不能取負(fù)值，則可知這要求對(duì)每一個(gè)能級(jí)都要有，若取最低能級(jí)為能量的零點(diǎn)，則有?；瘜W(xué)勢(shì)又可由（2-2）確定，為溫度T與粒子數(shù)密度n=N/V的函數(shù)。從式子可看出在粒子數(shù)密度n確定原子。實(shí)驗(yàn)中，我們還要想辦法控制原子。通常，我們控制原子是借助磁-光囚禁阱中的偶極磁場(chǎng)力?？梢坏⒃拥拇艠O反轉(zhuǎn)，原子間的相互作用將會(huì)成為排斥力，而不是之前的吸引力。為此，我們可以利用射頻場(chǎng)使原子磁極的反轉(zhuǎn)得到實(shí)現(xiàn)?？墒?，磁-光囚禁阱中有一點(diǎn)的電磁場(chǎng)為零，若原子到達(dá)該位置，那就無(wú)法利用該方法改變?cè)拥拇艠O了。對(duì)此，美國(guó)的科學(xué)家康奈爾使用旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)裝置控制原子的自旋態(tài)，該裝置能使原子永遠(yuǎn)達(dá)不到磁場(chǎng)為零的位置。于1995年6月，JILA的康奈爾和維曼小組通過(guò)在時(shí)間平均軌道勢(shì)(ToP)阱中采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了堿金屬原子87Rb的BEC。第4章凝聚態(tài)的應(yīng)用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)有很多特殊的物理性質(zhì)，如：電磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)等。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚是不同于常見(jiàn)的等離子態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的一種異常的物質(zhì)存在的方式。我們對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚進(jìn)行的鉆研在科學(xué)上是有著巨大的意義的，在應(yīng)用上也是價(jià)值無(wú)窮。首先，我們可以通過(guò)對(duì)處于玻色-愛(ài)因斯坦冷凝態(tài)下的物質(zhì)的性質(zhì)進(jìn)行研究來(lái)檢驗(yàn)自然界的已有的一些規(guī)律，探索和發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。其次，在應(yīng)用方面，我們?cè)贐EC基礎(chǔ)上獲得原子激光，這將極大提高原子鐘精度，使太空航行的定位更加精確。同時(shí)，我們?nèi)粼诩呻娐分袘?yīng)用原子激光，那么集成電路的密度就會(huì)變大很多，這樣電腦芯片的運(yùn)算速度也就相應(yīng)地變快很多。另外，由于BEC具有很好的相干性，因此我們可以利用凝聚體研制原子干涉儀以精確測(cè)量各種勢(shì)場(chǎng)。此外，在磁傳感器及弱磁場(chǎng)的探測(cè)方面，BEC也有相關(guān)的應(yīng)用。4.1原子芯片給芯片表面的金屬導(dǎo)線通上一個(gè)適度的電流,即可以產(chǎn)生一個(gè)有著很大磁場(chǎng)梯度的微型磁阱,這樣的磁阱實(shí)現(xiàn)了芯片表面的BEC（玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)）利用芯片表面的微型磁阱實(shí)現(xiàn)BEC,展現(xiàn)了原子芯片一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì):通過(guò)芯片表面微細(xì)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)許多很復(fù)雜的勢(shì)場(chǎng).利用芯片表面的微型磁阱實(shí)現(xiàn)BEC,展現(xiàn)了原子芯片一個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì):通過(guò)芯片表面微細(xì)的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)許多很復(fù)雜的勢(shì)場(chǎng).如圖4-1中,在實(shí)現(xiàn)BEC的C1區(qū)域的右方,還有一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原子進(jìn)行傳遞的“磁傳送帶”.H‐nsel等人在原子芯片表面實(shí)現(xiàn)BEC之外,同時(shí)也在芯片表面實(shí)現(xiàn)了對(duì)BEC的傳遞,如圖4-2所示.在原子芯片表面實(shí)現(xiàn)BEC,這在當(dāng)前集成原子光學(xué)領(lǐng)域可以稱得上是里程碑性的工作.基于原子芯片的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單和通用,而相應(yīng)的勢(shì)場(chǎng)則非常精細(xì),可以預(yù)見(jiàn)將來(lái)原子芯片中的BEC實(shí)驗(yàn)還會(huì)取得更多豐碩的成果。圖4-1圖4-2參考文獻(xiàn)[1]何明,王謹(jǐn),涂鮮花,諶維浩,江開(kāi)軍,周欣,李若虹,李可,詹明生.集成原子光學(xué):原子芯片[J].物理,2003,(06):370-374.[2]謝世標(biāo).玻色——愛(ài)因斯坦凝聚的研究[J].廣西物理,2002,(03):47-50.[3]印建平,王正嶺.玻色—愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)實(shí)驗(yàn)及其最新進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展,2005,(03):235-257.