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。
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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。