爱因斯坦凝聚态是什么有什么用？什么是凝聚态物

 

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• 爱因斯坦凝聚态是什么有什么用
• 什么是凝聚态物理

爱因斯坦凝聚态是什么有什么用

原子从俘获势中释放后的密度分布。(左)热云刚过相变，(中)部分冷凝云和(右)几乎纯冷凝云。

玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是一种物质状态，其中分离的原子或亚原子粒子冷却至接近绝对零（0 K，-273.15°C或-459.67°F; K =开尔文），聚结为单个量子实体-即可以用波函数描述的实体- 接近宏观。1924年，阿尔伯特·爱因斯坦根据印度物理学家Satyendra Nath Bose的量子公式预测了这种物质。

玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）是一种非常特殊，有趣且基本的物质，实际上是一种由原子粒子组成的气体。它同时显示出两个不同的真正量子力学特征。其中之一就是像大原子的本质一样的波，这种行为在非常低的温度下变得越来越明显。另一个特性是，具有整数固有角动量（自旋）的粒子原则上都可以处于相同的量子态。光子，电磁辐射的量子是自旋为1的特定种类的玻色子，而其静止质量为零。Satendyra Bose通过假设普朗克定律的性质，推导出了普朗克定律，并在1924年把他的成果发给了爱因斯坦，爱因斯坦认识到这一想法的重要性，因此建议Bose发表论文。此后不久，爱因斯坦本人于同年发现该推导可以扩展到气体，由大颗粒（不同于光子）组成的情况，并预测普通气体也可以以这种特定状态被引入，这就是为什么命名为Bose-Einstein凝聚。就像我们说过的那样，只有具有整数自旋的粒子才能形成冷凝物，为了纪念玻色，这种粒子被称为玻色子。电子和其他具有半整数自旋的粒子不会表现出这种行为，除非特定的相互作用将它们耦合为对，以便该对具有整数自旋。

尽管已经预测了数十年，但第一次原子BEC直到1995年才被制备出来，当时JILA的Eric Cornell和Carl Wieman是由美国国家标准技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营的研究机构，冷却的铷原子气体在1.7×10 -7 ?，高于绝对零度。与麻省理工学院（MIT）的沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）一起制备了了含钠原子的BEC的，这些研究人员还获得了2001年诺贝尔奖物理。BEC的研究扩展了对量子物理学的理解，并导致了新的物理效应的发现。

BEC理论可以追溯到1924年，当时Bose考虑了光子组的行为。光子属于两大类基本粒子或亚微观粒子之一，它们的量子自旋是非负整数（0，1，2，…）或者奇数半整数（1/2，3/2，…）。前一种称为玻色子，包括自旋为1的光子。后一种称为费米子，包括自旋为1/2的电子。

正如Bose指出的，这两类粒子的行为有所不同（请参阅 Bose-Einstein和Fermi-Dirac统计）。根据泡利（Pauli）不相容原理，费米子倾向于互相推开，因此一组中的每个电子都具有独立的量子态（由不同的量子数表示，例如电子的能量）。相反，无限数量的玻色子可以具有相同的能态并共享单个量子态。

爱因斯坦很快扩展了玻色的工作，以表明在极低的温度下具有均匀自旋的“玻色子原子”将以最低的可用能量聚结成共享的量子态。然而，直到1990年代，才达到了产生足够低的温度以检验爱因斯坦预测的必要方法。突破之一是依靠激光冷却和俘获的新技术，在该技术中，激光束的辐射压力通过降低原子的速度来冷却和定位原子。（对于这项工作，法国物理学家克劳德·科恩·坦努吉（Claude Cohen-Tannoudji）和美国物理学家史蒂文·朱（Steven Chu）和威廉·菲利普斯（William D. Phillips）共有1997年的诺贝尔物理学奖。）第二个突破取决于对磁约束的改进，以便在没有材料容器的情况下将原子固定在适当的位置。利用这些技术，康奈尔和威曼成功地将大约2,000个单独的原子合并为一个“超原子”，“超原子”是一种足够大的，可在显微镜下观察到的冷凝物，具有独特的量子特性。正如威曼（Wieman）所描述的那样，“我们将其带到了几乎人类的规模。我们可以刺戳它，并以前所未有的方式查看这些东西。”

BEC与两个显着的低温现象有关：超流态，其中氦同位素 3 He和4 He 各自形成一种液体，其摩擦力为零；具有超导性，电子穿过零电阻的材料。4 He原子是玻色子，尽管3 He原子和电子是费米子，但如果它们与相反的自旋配对形成零净自旋的玻色子态，它们也会发生Bose 凝聚。2003年， JILA的黛博拉·金（Deborah Jin）和她的同事们使用成对的费米子产生了第一个原子费米离子冷凝物。

BEC的研究产生了新的原子和光学物理学，例如1996年展示的原子激光器Ketterle。传统的激光器发射相干光子束。它们都是完全同相的，可以聚焦成一个很小的亮点。类似地，原子激光可以产生高强度聚焦的相干原子束。潜在的应用包括更精确的原子钟和增强的技术来制造电子芯片或集成电路。

BEC最吸引人的特性是它们可以减慢光线。1998年，哈佛大学的 Lene Hau 和她的同事们将通过BEC的光从每秒3×10^8米的真空速度减慢到每秒仅17米，即每小时38英里。从那以后，Hau和其他人完全停止了光脉冲并将其存储在BEC内，随后释放了未改变的光或将其发送到第二个BEC。尽管BEC的低温要求带来了实际困难，但这些操作有望为新型的基于光的通信，光学数据存储和量子计算带来希望。

原子磁光阱

光学冷却降低了原子云中原子的速度，但这仅仅是过程的初始阶段。为了达到足够低的温度，必须使用其它技巧。这可以在称为磁光阱（MOT）的设备中实现，如图所示。MOT由一对所谓的反亥姆霍兹线圈组成，电流通过它们反向传播。

图 磁光阱原理图

图磁光阱的实验装置。

什么是凝聚态物理

凝聚态物理学是目前物理学各分支学科中最大的研究领域，据说现在物理系博士生中有1/4研究的就是凝聚态物理。

凝聚态物理学研究的对象和人们的日常生活可以说是最近的，比如我们现在手机电脑背后的科学基础基本上都是凝聚态物理学，但凝聚态物理这个名字又是离普通人最远的。

对于普通人来说，天体物理，核物理，粒子物理，以及原子分子和激光物理都是不需要解释的，虽然普通人不懂天体物理，但天体物理是干什么的，普通人仅通过天体物理这四个字也可以猜的差不多。

但凝聚态物理，普通人看不懂，学科没有一个好名字对学科的发展是不利的，比如我在上大学的时候，系里最好的专业是晶体物理，但我觉得这个名字不如理论物理酷，于是就选了理论物理。但等真学了几年，了解多了一些，才发现其实理论物理研究的某些前沿也是和晶体结构有关系的事情（举个例子，两个单层石墨烯转一个小角度，就变成了超导体），但理论物理不做实验，不能真的把自己研究的东西做出来，至少对我来说是不太酷的。

“魔角”石墨烯被自然、物理世界等评为今年最重要的科学发现。

如果没有一个好名字的话，即便对一个行业内的人来说要想对外行解释清楚也是十分困难的。比如说你问我什么是凝聚态物理，我能想到的回答就是把这个学科的发展历史给你简单列一列，这不是一句话能说清楚的。

凝聚态物理的前身是固体物理，这个名字不用解释，普通人也知道物体有三态，固体物理就是研究固体的。固体有种种物性，比如导电性不同，根据导电性的不同可分为金属，半导体和绝缘体。

固体物理就是研究这些的，而研究这些的前提是必须有量子力学。因为物质是原子构成的，原子是由电子和原子核构成的。所谓固体就是一堆原子核和一堆电子，其中电子的运动又更关键一些，打个比方就是原子核是舞台，电子是舞台上的演员。

研究电子必须要用量子力学。

量子力学出来后，关于金属的研究获得了很大的进步，典型的工作有玻姆和派因斯的等离激元等。更重要的是电子能带论，能带论构成了半导体物理学的基础，半导体物理是计算机的基础，而计算机是今天信息革命与信息社会的基础，凝聚态物理逐渐取代粒子物理成为物理学研究的主流和这一点关系很大。

除了金属和半导体外，固体物理中典型的研究领域还有超导与磁学。超导潜在地有很大很广阔的工业前景，并且在科学上也是很有趣的。而磁学和半导体物理一样也是信息技术的基础，因为信息的存储目前主要还是依靠磁性，同时磁性也是典型的量子现象。

两次获得诺贝尔物理奖的巴丁是固体物理学的标杆性人物，他发明了晶体管，解释了常规超导体的物理机制。

固体物理虽然被泡利说成是脏的（意味着要做近似，意味着说不清），但在上世纪后半叶仍然获得了很大发展。同时在上世纪的80年代开始出现了一系列的新研究，这些新研究被当时的物理学家认为已经突破了传统固体物理学研究的范式

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