玻色-愛因斯坦凝聚態

玻色–愛因斯坦凝聚態（玻色—愛因斯坦凝聚體， Bose–Einstein condensate，BEC）是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態（物態）。這種大量具有玻色統計性質的粒子，如同原子“凝聚”到同一狀態，稱為玻色–愛因斯坦凝聚態。

1995年，麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170 nK（1.7×10 K）的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚態。在這種狀態下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，形成一個巨觀的量子狀態。

基本介紹

• 中文名：玻色-愛因斯坦凝聚態
• 外文名：Bose-Einstein condensation
• 別名：玻色–愛因斯坦凝聚態、玻愛凝聚態、玻色—愛因斯坦凝聚體
• 簡稱：BEC
• 本質：預言的一種新物態
• 預言者：愛因斯坦
• 比喻：讓無數原子“齊聲歌唱”

理論

所有原子的量子態都束聚於一個單一的量子態的狀態被稱為玻色凝聚或玻色-愛因斯坦凝聚。1920年，薩特延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛因斯坦以玻色關於光子的統計力學研究為基礎，對這個狀態做了預言。

2005年7月22日，烏得勒支大學的學生羅迪·玻因克在保羅·埃倫費斯特的個人檔案中發現了1924年12月愛因斯坦手寫的原文的草稿。玻色和愛因斯坦的研究的結果是遵守玻色-愛因斯坦統計的玻色氣體。玻色-愛因斯坦統計是描寫玻色子的統計分布的理論。玻色子，其中包括光子和氦-4之類的原子，可以分享同一量子態。愛因斯坦推測將玻色子冷卻到非常低的溫度後它們會“落入”（“凝聚”）到能量最低的可能量子態中，導致一種全新的相態。

一個單純的三維的氣體的臨界溫度為（氣體處在的外部勢能是恆定的）：

其中：：臨界溫度；：粒子密度；：每個玻色子的質量；：約化普朗克常數（狄拉克常數）；：玻爾茲曼常數；：黎曼ζ函式（）。

發現

1938年，彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納（Don Misener）發現氦-4在降溫到2.2 K時會成為一種叫做超流體的新的液體狀態。超流的氦有許多非常不尋常的特徵，比如它的黏度為零，其漩渦是量子化的。很快人們就認識到超液體的原因是玻色-愛因斯坦凝聚。事實上，康奈爾和威曼發現的氣態的玻色-愛因斯坦凝聚呈現出許多超流體的特性。

“真正”的玻色-愛因斯坦凝聚最早是由康奈爾和威曼及其助手在天體物理實驗室聯合研究所於1995年6月5日製造成功的。他們使用雷射冷卻和磁阱中的蒸發冷卻將約2000個稀薄的氣態的銣-87原子的溫度降低到170 nK後獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。四個月後，麻省理工學院的沃爾夫岡·克特勒使用鈉-23獨立地獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。克特勒的凝聚較康奈爾和威曼的含有約100倍的原子，這樣他可以用他的凝聚獲得一些非常重要的結果，比如他可以觀測兩個不同凝聚之間的量子衍射。2001年康奈爾、威曼和克特勒為他們的研究結果共享諾貝爾物理獎。

與一般人們遇到的其它相態相比，玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩定。玻色-愛因斯坦凝聚與外界世界的極其微小的相互作用足以使它們加熱到超出臨界溫度，分解為單一原子的狀態，因此在短期內不太有機會出現實際套用。

2016年5月17日，來自澳大利亞新南威爾斯大學和澳大利亞國立大學的研究團隊首次使用人工智慧製造出了玻色-愛因斯坦凝聚。人工智慧在此項實驗中的作用是調節要求苛刻的溫度和防止原子逃逸的雷射束。

2020年6月10日，加州理工的研究人員在《自然》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。

2024年6月，美國和荷蘭物理學家成功將鈉銫極性分子冷卻至接近絕對零度，使1000多個分子處於一個巨大的量子態，形成了分子玻色-愛因斯坦凝聚態。這項成果既可以幫助科學家創造出能無阻力流動的超固體材料，又有助於研製新型量子計算機。

我們知道，常溫下的氣體原子行為就像檯球一樣，原子之間以及與器壁之間互相碰撞，其相互作用遵從經典力學定律；低溫的原子運動，其相互作用則遵從量子力學定律，由德布羅意波來描述其運動，此時的德布羅意波波長λ小於原子之間的距離d，其運動由量子屬性自旋量子數來決定。我們知道，自旋量子數為整數的粒子為玻色子，而自旋量子數為半整數的粒子為費米子。

玻色子具有整體特性，在低溫時集聚到能量最低的同一量子態（基態）；而費米子具有互相排斥的特性，它們不能占據同一量子態，因此其它的費米子就得占據能量較高的量子態，原子中的電子就是典型的費米子。

早在1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預言存在另外的一種物質狀態——玻色-愛因斯坦冷凝態，即當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態。此時，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質。

根據量子力學中的德布羅意關係，λ=h/p。粒子的運動速度越慢（溫度越低），其物質波的波長就越長。當溫度足夠低時，原子的德布洛意波長與原子之間的距離在同一量級上，此時，物質波之間通過相互作用而達到完全相同的狀態，其性質由一個原子的波函式即可描述； 當溫度為絕對零度時，熱運動現象就消失了，原子處於理想的玻色愛因斯坦冷凝態。

套用

用於降低光速

雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難製作，但它們也有許多非常有趣的特性。比如它們可以有異常高的光學密度差。一般來說凝聚的折射係數是非常小的因為它的密度比平常的固體要小得多。但使用雷射可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態，使它對一定的頻率的係數驟增。這樣光速在凝聚內的速度就會驟降，甚至降到數米每秒。

自轉的玻色-愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會逃離。凝聚也可以用來“凍結”光，這樣被“凍結”的光在凝聚分解時又會被釋放出來。

模擬量子場

海德堡大學科學家使用玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）來模擬膨脹的宇宙及其內部的量子場。通過改變BEC中原子的散射長度，研究小組使“宇宙”以不同的速率膨脹，並研究了聲子如何在其中引發密度波動。

參閱

• 盒中氣體
• 玻色氣體