玻色–爱因斯坦凝态 (Bose-Einstein condensate )又称玻色–爱因斯坦凝聚态 ,简称玻爱凝聚态 ,是玻色子 原子 在冷却到接近绝对零度 所呈现出的一种气态 的、超流性 的物质状态 (物态)[ 1] 。这种大量具有玻色统计性质的粒子,如同原子“凝聚”到同一状态,称为玻色–爱因斯坦凝聚 [ 2] (Bose-Einstein condensation,BEC)。
1995年,麻省理工學院 的沃夫岡·凱特利 與科罗拉多大学博尔德分校 的埃里克·康奈尔 和卡尔·威曼 使用气态的铷 原子在170 nK (1.7×10−7 K )的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝態。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。
这幅图像显示的是铷原子速度的分布,它证实了玻色-爱因斯坦凝聚的存在。图中的颜色显示多少原子处于这个速度上。红色表示只有少数原子的速度是该速度。白色表示许多原子是这个速度。最低速度显示白色或浅蓝色。左图:玻色-爱因斯坦凝聚出现前。 中图:玻色-爱因斯坦凝聚刚刚出现。 右图:几乎所有剩余的原子处于玻色-爱因斯坦凝聚状态。 由于不确定性原理 尖部不是无穷窄:由于原子被束缚于一个很小的空间,它们的速度必须有一个很大的范围
1938年,彼得·卡皮查 、约翰·艾伦 和冬·麦色纳 发现氦-4在降温到2.2 K时会成为一种叫做超流体 的新的液体状态[ 5] [ 6] 。超流的氦有许多非常不寻常的特征,比如它的黏度 为零,其漩涡是量子化的。很快人们就认识到超液体的原因是玻色-爱因斯坦凝聚。事实上,康奈尔和威曼发现的气态的玻色-爱因斯坦凝聚呈现出许多超流体的特性。
“真正”的玻色-爱因斯坦凝聚最早是由康奈尔和威曼及其助手在實驗天體物理聯合研究所 于1995年6月5日制造成功的。他们使用激光冷却 和磁阱中的蒸发冷却 将约2000个稀薄的气态的铷-87原子的温度降低到170 nK后获得了玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院 的沃尔夫冈·克特勒 使用钠-23 独立地获得了玻色-爱因斯坦凝聚。克特勒的凝聚较康奈尔和威曼的含有约100倍的原子,这样他可以用他的凝聚获得一些非常重要的结果,比如他可以观测两个不同凝聚之间的量子 衍射 。2001年康奈尔、威曼和克特勒为他们的研究结果共享诺贝尔物理奖 [ 7] [ 8] 。
康奈尔、威曼和克特勒的结果引起了许多试验项目。比如2003年11月因斯布鲁克大学 的鲁道尔夫·格里姆 、科罗拉多大学鲍尔德分校的德波拉·金和克特勒制造了第一个分子 构成的玻色-爱因斯坦凝聚。
与一般人们遇到的其它相态相比,玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。玻色-爱因斯坦凝聚与外界世界的极其微小的相互作用足以使它们加热到超出临界温度,分解为单一原子的状态,因此在短期内不太有機會出現实际应用。
2016年5月17日,来自澳大利亚新南威尔士大学和澳大利亚国立大学的研究团队首次使用人工智能 制造出了玻色-爱因斯坦凝聚。人工智能在此项实验中的作用是调节要求苛刻的温度和防止原子逃逸的激光束。[ 9]
2020年6月10日,加州理工的研究人員在《自然期刊 》發表報告,在國際太空站 上運行的冷原子實驗室,呈現銣 及鉀 原子的玻色-愛因斯坦凝聚。在地球表面的實驗室,由於受引力影響,實驗的自由膨漲時間只有幾十毫秒。在無重狀態下,成功將時間延長至超過一秒。
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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,甚至降到每秒数米。
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。
存档副本 . [2022-11-20 ] . (原始内容存档 于2022-11-20).
Clark, Ronald W. Einstein: The Life and Times. Avon Books. 1971: 408–409. ISBN 0-380-01159-X .
F. London Superfluids Vol.I and II, (reprinted New York: Dover 1964)
存档副本 . [2016-05-17 ] . (原始内容存档 于2016-05-21).
存档副本 . [2020-06-13 ] . (原始内容存档 于2020-06-12).
《超流体 》/ (美)沈星揚著 (1982). - 北京: 科学出版社
Bose, S. N. Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese. Zeitschrift für Physik. 1924, 26 : 178. Bibcode:1924ZPhy...26..178B . doi:10.1007/BF01327326 .
Einstein, A. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften. 1925, 1 : 3. ,
Landau, L. D. The theory of Superfluity of Helium 111. J. Phys. USSR. 1941, 5 : 71–90.
L. Landau. Theory of the Superfluidity of Helium II. Physical Review. 1941, 60 (4): 356–358. Bibcode:1941PhRv...60..356L . doi:10.1103/PhysRev.60.356 .
M.H. Anderson, J.R. Ensher, M.R. Matthews, C.E. Wieman, and E.A. Cornell. Observation of Bose–Einstein Condensation in a Dilute Atomic Vapor. Science. 1995, 269 (5221): 198–201. Bibcode:1995Sci...269..198A . JSTOR 2888436 . PMID 17789847 . doi:10.1126/science.269.5221.198 .
C. C. Bradley, C. A. Sackett, J. J. Tollett, and R. G. Hulet. Evidence of Bose–Einstein Condensation in an Atomic Gas with Attractive Interactions. Physical Review Letters. 1995, 75 (9): 1687–1690. Bibcode:1995PhRvL..75.1687B . PMID 10060366 . doi:10.1103/PhysRevLett.75.1687 . .
C. Barcelo, S. Liberati and M. Visser. Analogue gravity from Bose–Einstein condensates. Classical and Quantum Gravity. 2001, 18 (6): 1137–1156. Bibcode:2001CQGra..18.1137B . arXiv:gr-qc/0011026 . doi:10.1088/0264-9381/18/6/312 .
P.G. Kevrekidis, R. Carretero-Gonzlaez, D.J. Frantzeskakis and I.G. Kevrekidis. Vortices in Bose–Einstein Condensates: Some Recent Developments . Modern Physics Letters B . 2006, 5 (33) [2012-09-16 ] . (原始内容存档 于2012-10-02).
K.B. Davis, M.-O. Mewes, M.R. Andrews, N.J. van Druten, D.S. Durfee, D.M. Kurn, and W. Ketterle. Bose–Einstein condensation in a gas of sodium atoms. Physical Review Letters. 1995, 75 (22): 3969–3973. Bibcode:1995PhRvL..75.3969D . PMID 10059782 . doi:10.1103/PhysRevLett.75.3969 . .
D. S. Jin, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wieman, and E. A. Cornell. Collective Excitations of a Bose–Einstein Condensate in a Dilute Gas. Physical Review Letters. 1996, 77 (3): 420–423. Bibcode:1996PhRvL..77..420J . PMID 10062808 . doi:10.1103/PhysRevLett.77.420 .
M. R. Andrews, C. G. Townsend, H.-J. Miesner, D. S. Durfee, D. M. Kurn, and W. Ketterle. Observation of interference between two Bose condensates. Science. 1997, 275 (5300): 637–641. PMID 9005843 . doi:10.1126/science.275.5300.637 . .
Eric A. Cornell and Carl E. Wieman. The Bose–Einstein Condensate . Scientific American. 1998, 278 (3): 40–45. doi:10.1038/scientificamerican0398-40 .
M. R. Matthews, B. P. Anderson, P. C. Haljan, D. S. Hall, C. E. Wieman, and E. A. Cornell. Vortices in a Bose–Einstein Condensate. Physical Review Letters. 1999, 83 (13): 2498–2501. Bibcode:1999PhRvL..83.2498M . arXiv:cond-mat/9908209 . doi:10.1103/PhysRevLett.83.2498 .
E.A. Donley, N.R. Claussen, S.L. Cornish, J.L. Roberts, E.A. Cornell, and C.E. Wieman. Dynamics of collapsing and exploding Bose–Einstein condensates. Nature. 2001, 412 (6844): 295–299. Bibcode:2001Natur.412..295D . PMID 11460153 . arXiv:cond-mat/0105019 . doi:10.1038/35085500 .
A. G. Truscott, K. E. Strecker, W. I. McAlexander, G. B. Partridge, and R. G. Hulet. Observation of Fermi Pressure in a Gas of Trapped Atoms. Science. 2001, 291 (5513): 2570–2572. Bibcode:2001Sci...291.2570T . PMID 11283362 . doi:10.1126/science.1059318 .
M. Greiner, O. Mandel, T. Esslinger, T. W. Hänsch, I. Bloch. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature. 2002, 415 (6867): 39–44. Bibcode:2002Natur.415...39G . PMID 11780110 . doi:10.1038/415039a . .
S. Jochim, M. Bartenstein, A. Altmeyer, G. Hendl, S. Riedl, C. Chin, J. Hecker Denschlag, and R. Grimm. Bose–Einstein Condensation of Molecules. Science. 2003, 302 (5653): 2101–2103. Bibcode:2003Sci...302.2101J . PMID 14615548 . doi:10.1126/science.1093280 .
Markus Greiner, Cindy A. Regal and Deborah S. Jin. Emergence of a molecular Bose−Einstein condensate from a Fermi gas. Nature. 2003, 426 (6966): 537–540. Bibcode:2003Natur.426..537G . PMID 14647340 . doi:10.1038/nature02199 .
M. W. Zwierlein, C. A. Stan, C. H. Schunck, S. M. F. Raupach, S. Gupta, Z. Hadzibabic, and W. Ketterle. Observation of Bose–Einstein Condensation of Molecules. Physical Review Letters. 2003, 91 : 250401. Bibcode:2003PhRvL..91y0401Z . PMID 14754098 . arXiv:cond-mat/0311617 . doi:10.1103/PhysRevLett.91.250401 .
C. A. Regal, M. Greiner, and D. S. Jin. Observation of Resonance Condensation of Fermionic Atom Pairs. Physical Review Letters. 2004, 92 (4): 040403. Bibcode:2004PhRvL..92d0403R . PMID 14995356 . arXiv:cond-mat/0401554 . doi:10.1103/PhysRevLett.92.040403 .
C. J. Pethick and H. Smith, Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases , Cambridge University Press, Cambridge, 2001.
Lev P. Pitaevskii and S. Stringari, Bose–Einstein Condensation , Clarendon Press, Oxford, 2003.
Mackie M, Suominen KA, Javanainen J., "Mean-field theory of Feshbach-resonant interactions in 85Rb condensates." Phys Rev Lett. 2002 Oct 28;89(18):180403.