[科普中國(guó)]-玻色–愛因斯坦凝聚態(tài)

玻色–愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）是玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)（物態(tài)）。1

定義玻色–愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）是玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)（物態(tài)）。1995年，麻省理工學(xué)院的沃夫?qū)P特利與科羅拉多大學(xué)鮑爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態(tài)的銣原子在170 nK（1.7×10K）的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)。

理論所有原子的量子態(tài)都束聚于一個(gè)單一的量子態(tài)的狀態(tài)被稱為玻色凝聚或玻色-愛因斯坦凝聚。1920年代，薩特延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛因斯坦以玻色關(guān)于光子的統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究為基礎(chǔ)，對(duì)這個(gè)狀態(tài)做了預(yù)言。

2005年7月22日，烏得勒支大學(xué)的學(xué)生羅迪·玻因克在保羅·埃倫費(fèi)斯特的個(gè)人檔案中發(fā)現(xiàn)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(jié)果是遵守玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的玻色氣體。玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)是描寫玻色子的統(tǒng)計(jì)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(tài)。愛因斯坦推測(cè)將玻色子冷卻到非常低的溫度后它們會(huì)“落入”（“凝聚”）到能量最低的可能量子態(tài)中，導(dǎo)致一種全新的相態(tài)。

一個(gè)單純的三維的氣體的臨界溫度為（氣體處在的外部勢(shì)能是恒定的）：

其中：

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發(fā)現(xiàn)1938年，彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納（Don Misener）發(fā)現(xiàn)氦-4在降溫到2.2 K時(shí)會(huì)成為一種叫做超流體的新的液體狀態(tài)。2超流的氦有許多非常不尋常的特征，比如它的黏度為零，其漩渦是量子化的。很快人們就認(rèn)識(shí)到超液體的原因是玻色-愛因斯坦凝聚。事實(shí)上，康奈爾和威曼發(fā)現(xiàn)的氣態(tài)的玻色-愛因斯坦凝聚呈現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究所于1995年6月5日制造成功的。他們使用激光冷卻和磁阱中的蒸發(fā)冷卻將約2000個(gè)稀薄的氣態(tài)的銣-87原子的溫度降低到170 nK后獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。四個(gè)月后，麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)た颂乩帐褂免c-23獨(dú)立地獲得了玻色-愛因斯坦凝聚?？颂乩盏哪圯^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(jié)果，比如他可以觀測(cè)兩個(gè)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(jié)果共享諾貝爾物理獎(jiǎng)。

康奈爾、威曼和克特勒的結(jié)果引起了許多試驗(yàn)項(xiàng)目。比如2003年11月因斯布魯克大學(xué)的魯?shù)罓柗颉じ窭锬?、科羅拉多大學(xué)鮑爾德分校的德波拉·金和克特勒制造了第一個(gè)分子構(gòu)成的玻色-愛因斯坦凝聚。

與一般人們遇到的其它相態(tài)相比，玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩(wěn)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(tài)，因此在短期內(nèi)不太有機(jī)會(huì)出現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

2016年5月17日，來自澳大利亞新南威爾士大學(xué)和澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次使用人工智能制造出了玻色-愛因斯坦凝聚。人工智能在此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的作用是調(diào)節(jié)要求苛刻的溫度和防止原子逃逸的激光束。

應(yīng)用雖然玻色-愛因斯坦凝聚很難理解也很難制作，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(xué)密度差。一般來說凝聚的折射系數(shù)是非常小的因?yàn)樗拿芏缺绕匠５墓腆w要小得多。但使用激光可以改變玻色-愛因斯坦凝聚的原子狀態(tài)，使它對(duì)一定的頻率的系數(shù)驟增。這樣光速在凝聚內(nèi)的速度就會(huì)驟降，甚至降到數(shù)米每秒。

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

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所