激光冷却及玻色爱因斯坦凝聚

 

       1924年，印度物理学家玻色最先提出了一种对光子的统计方法。1925年，爱因斯坦将玻色的理论推广到有质量的原子体系中，预言了一种新的物质状态的存在。根据预言，在极低的温度下，由服从玻色-爱因斯坦统计的原子构成的气体可能会发生神奇的转变，处于最低的能量状态上的原子数目会随着温度的降低逐渐增大，直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上，而整体呈现出一个量子状态。这种状态后来被称为“玻色-爱因斯坦凝聚”，是很多实验物理学家致力实现的预言。

 

       实现原子系统的玻色爱因斯坦凝聚的关键技术是激光冷却，它是二十世纪八十年代中期后发展起来的。大家都知道，温度是与微观粒子的无规热运动速度成正相关，而激光冷却原子，就是通过降低原子的运动速度，来实现冷却。

 

       我们将激光的波长选择在原子谱线波长略微比中心位置长一些的一侧，那么由于多普勒效应，向着激光运动的原子感受到的波长会显得短一些，因此作用强烈；而背离激光运动的原子感受到的波长会更长一些，因此作用很弱。这样，如果在前后左右上下六个方向都有一束激光的话，就可以把原子的速度降低下来。通过这种方法，可以将原子气体的温度降低到绝对零度之上大约千分之一摄氏度。

 

        然而，要实现玻色爱因斯坦凝聚，这还不够。还需要进一步蒸发冷却。

 

        蒸发冷却的原理大家都很熟悉：一杯开水放在桌子上，水里面速度较快的水分子会冲出水面，散发到空气中去，从而带走了较多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同样，原子本身具有磁性，可以利用磁场来束缚原子，通过各种手段可以让束缚在势阱里面的带有较高能量的原子跑掉，得到更冷的原子气体。

 

       利用这两种制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地将含有大约2000个铷原子的气体冷却到低于170nK的温度（仅比绝对零度高了百万分之零点一七度），这时，大量的原子聚集到了最低的能量状态，形成了玻色爱因斯坦凝聚。四个月之后，麻省理工学院的Ketterle教授等人成功地用钠原子实现了玻色爱因斯坦凝聚。而这三位科学家也因此分享了2001年的诺贝尔物理学奖。

 

       玻色爱因斯坦凝聚从理论提出到最终的实验验证，经历了将近一百年的时间，经过许多物理学家孜孜不倦的努力才得以实现。这个领域今天仍是现代物理里面光学、凝聚态等方向的尖端前沿。科学发现如此不易，却激动人心，而且是那样的美妙。