【波色爱因斯坦凝聚】波色-爱因斯坦凝聚发生的条件是什么?

【波色爱因斯坦凝聚】波色-爱因斯坦凝聚发生的条件是什么?

【答案】 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在70年前预言的一种新物态.这里的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态(一般是基态).即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态.
　　　　形象地说,这就像让无数原子“齐声歌唱”,其行为就好像一个玻色子的放大,可以想象着给我们理解微观世界带来了什么.这一物质形态具有的奇特性质,在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景.现在全世界已经有数十个室验室实现了8种元素的BEC.主要是碱金属,还有氦原子和钙等.常温下的气体原子行为就象台球一样,原子之间以及与器壁之间互相碰撞,其相互作用遵从经典力学定律；低温的原子运动,其相互作用则遵从量子力学定律,由德布洛意波来描述其运动,此时的德布洛意波波长λdb小于原子之间的距离d,其运动由量子属性自旋量子数来决定.我们知道,自旋量子数为整数的粒子为玻色子,而自旋量子数为半整数的粒子为费米子.
　　　　玻色子具有整体特性,在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态)；而费米子具有互相排斥的特性,它们不能占据同一量子态,因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态,原子中的电子就是典型的费米子.早在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存在另外的一种物质状态——玻色爱因斯坦冷凝态,即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时,它们将集聚到能量最低的同一量子态.此时,所有的原子就象一个原子一样,具有完全相同的物理性质.
　　　　根据量子力学中的德布洛意关系,λdb=h/p.粒子的运动速度越慢（温度越低）,其物质波的波长就越长.当温度足够低时,原子的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级上,此时,物质波之间通过相互作用而达到完全相同的状态,其性质由一个原子的波函数即可描述； 当温度为绝对零度时,热运动现象就消失了,原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态.
　　　　在理论提出70年之后,2001年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上实现了这一现象（在1995年）.实验是利用碱性原子实现的,碱性原子形成的冷凝态,是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷凝态,因此可以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究.前些年的物理研究也部分的实现了玻色爱因斯坦冷凝态,例如超导中的库泊电子对无电阻现象,超流体中的无摩擦现象,但其系统特别复杂,难以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究.
　　　　（它们也是获得诺贝尔物理学奖的研究成果,超流 体中的无摩擦现象1962年,超导中的库泊电子对无电阻现象1972年.）

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