玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)
玻色–愛(ài)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)的跺撼、超流性的物質(zhì)狀態(tài)（物態(tài)）棺牧。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的低溫下首次獲得了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚梢薪。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)涂邀，形成一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)膏孟。
中文名
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)
外文名
Bose-Einstein condensation
簡(jiǎn)稱
BEC
本質(zhì)
預(yù)言的一種新物態(tài)
預(yù)言者
A.愛(ài)因斯坦
比喻
讓無(wú)數(shù)原子“齊聲歌唱”
簡(jiǎn)介
玻色–愛(ài)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)）窜醉。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的低溫下首次獲得了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚艺谆。在這種狀態(tài)下榨惰，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)擂涛。
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(ài)因斯坦凝聚读串。1920年代，薩特延德拉·納特·玻色和阿爾伯特·愛(ài)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)撒妈，對(duì)這個(gè)狀態(tài)做了預(yù)言恢暖。
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(ài)因斯坦手寫(xiě)的原文的草稿狰右。玻色和愛(ài)因斯坦的研究的結(jié)果是遵守玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的玻色氣體杰捂。玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)是描寫(xiě)玻色子的統(tǒng)計(jì)分布的理論。玻色子棋蚌，其中包括光子和氦-4之類的原子嫁佳，可以分享同一量子態(tài)。愛(ài)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)中谷暮，導(dǎo)致一種全新的相態(tài)蒿往。
發(fā)現(xiàn)
1938年，彼得·卡皮查湿弦、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)瓤漏。超流的氦有許多非常不尋常的特征，比如它的黏度為零颊埃，其漩渦是量子化的蔬充。很快人們就認(rèn)識(shí)到超液體的原因是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。事實(shí)上班利，康奈爾和威曼發(fā)現(xiàn)的氣態(tài)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚呈現(xiàn)出許多超流體的特性饥漫。
“真正”的玻色-愛(ài)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(ài)因斯坦凝聚罗标。四個(gè)月后庸队，麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)た颂乩?/b>使用鈉-23獨(dú)立地獲得了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚÷裕克特勒的凝聚較康奈爾和威曼的含有約100倍的原子皿哨，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纽谒。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)如输。
康奈爾鼓黔、威曼和克特勒的結(jié)果引起了許多試驗(yàn)項(xiàng)目央勒。比如2003年11月因斯布魯克大學(xué)的魯?shù)罓柗颉じ窭锬贰⒖屏_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(ài)因斯坦凝聚澳化。
與一般人們遇到的其它相態(tài)相比崔步，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚非常不穩(wěn)定。玻色-愛(ài)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缎谷，分解為單一原子的狀態(tài)井濒，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日列林，來(lái)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(ài)因斯坦凝聚瑞你。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。
我們知道希痴，常溫下的氣體原子行為就象臺(tái)球一樣者甲，原子之間以及與器壁之間互相碰撞，其相互作用遵從經(jīng)典力學(xué)定律砌创；低溫的原子運(yùn)動(dòng)虏缸，其相互作用則遵從量子力學(xué)定律，由德布羅意波來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)嫩实，此時(shí)的德布羅意波波長(zhǎng)λdb小于原子之間的距離d刽辙，其運(yùn)動(dòng)由量子屬性自旋量子數(shù)來(lái)決定。我們知道甲献，自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子為玻色子宰缤，而自旋量子數(shù)為半整數(shù)的粒子為費(fèi)米子。
玻色子具有整體特性竟纳，在低溫時(shí)集聚到能量最低的同一量子態(tài)(基態(tài))撵溃；而費(fèi)米子具有互相排斥的特性，它們不能占據(jù)同一量子態(tài)锥累，因此其它的費(fèi)米子就得占據(jù)能量較高的量子態(tài)缘挑，原子中的電子就是典型的費(fèi)米子。
早在1924年玻色和愛(ài)因斯坦就從理論上預(yù)言存在另外的一種物質(zhì)狀態(tài)——玻色愛(ài)因斯坦冷凝態(tài)桶略，即當(dāng)溫度足夠低语淘、原子的運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，它們將集聚到能量最低的同一量子態(tài)际歼。此時(shí)惶翻，所有的原子就像一個(gè)原子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)鹅心。
根據(jù)量子力學(xué)中的德布洛意關(guān)系吕粗，λdb=h/p。粒子的運(yùn)動(dòng)速度越慢（溫度越低）旭愧，其物質(zhì)波的波長(zhǎng)就越長(zhǎng)颅筋。當(dāng)溫度足夠低時(shí)宙暇，原子的德布洛意波長(zhǎng)與原子之間的距離在同一量級(jí)上，此時(shí)议泵，物質(zhì)波之間通過(guò)相互作用而達(dá)到完全相同的狀態(tài)占贫，其性質(zhì)由一個(gè)原子的波函數(shù)即可描述； 當(dāng)溫度為絕對(duì)零度時(shí)先口，熱運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象就消失了型奥，原子處于理想的玻色愛(ài)因斯坦冷凝態(tài)。
用于降低光速
雖然玻色-愛(ài)因斯坦凝聚很難理解也很難制作碉京，但它們也有許多非常有趣的特性厢汹。比如它們可以有異常高的光學(xué)密度差。一般來(lái)說(shuō)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要小得多收夸。但使用激光可以改變玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的原子狀態(tài)坑匠，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)驟降卧惜，甚至降到數(shù)米每秒厘灼。
自轉(zhuǎn)的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會(huì)逃離咽瓷。凝聚也可以用來(lái)“凍結(jié)”光设凹，這樣被“凍結(jié)”的光在凝聚分解時(shí)又會(huì)被釋放出來(lái)。
