碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态与原子激光－2001年诺贝尔物理学奖介绍

摘  要   介绍了2001年诺贝尔物理学奖“碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态”的研究成果情况，论述了该领域内的物理理论和实验技术，并对其今后的发展及应用进行了简单的介绍。

关键词  玻色爱因斯坦冷凝态；原子囚禁；原子激光

1．获奖者情况简介

2001年诺贝尔物理学奖由3位物理学家共享。获得者为美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔（Eric A.Cornell）教授、美国麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle ）教授和美国科罗拉多大学的卡尔·维曼（Carl E. Wieman）教授，他们的主要研究工作为原子物理领域中的“稀薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研究”和“对冷凝物的早期基础研究工作”。三位获奖者将均分总数为一千万瑞典克郎（折合美金约100万）的诺贝尔物理学奖奖金。三位获奖者简历如下：

埃里克·康奈尔（Eric A. Cornell），40岁，1961年出生于加里佛尼亚，1990年获得麻省理工学院的物理博士学位，现为美国国家标准技术研究所的资深科学家、科罗拉多大学的教授。

沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle ），44岁，居美德国人， 1957年出生于德国海德堡，1986年获得德国的物理博士学位，现为美国麻省理工学院的教授。

卡尔·维曼（Carl E. Wieman），50岁，美国人， 1951年出生于俄勒冈州，1977年获得斯坦福大学的物理博士学位，现为美国科罗拉多大学的教授。

2．玻色爱因斯坦冷凝态

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碰撞，其相互作用遵从经典力学定律，图1（a）；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，图1（b），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，图1（c）；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[1]，图1（d）。

图1 玻色爱因斯坦冷凝态

(从上而下为a,b,c,d)

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。）

3．碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态的实现

我们知道原子气体在低温时容易形成液体，利用碱性原子铷87Rb 和钠23Na可以避免液体的形成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排斥力，实验中原子的速度只有几个毫米/秒，这对应的温度为100 nK（1 nK =10-9K）。这极低的温度是用激光冷却的办法（1997年的诺贝尔物理学奖成果）来达到的[2]。其基本原理是通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目的，冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部分，磁场很强，控制原子磁极的射频场的频率很高，通过逐渐的降低频率可以把温度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的。道理就象茶在茶杯中变凉一样。在磁-光囚禁阱中原子是靠偶极磁场力来约束的，如果原子的磁极发生反转，就会使吸引力变为排斥力，因此需要用射频场来控制原子磁极的反转。但是在囚禁阱的中心电磁场为零，这就不能控制原子自旋态（磁极）的变化。为此，埃里克·康奈尔采用旋转磁场装置使原子始终不能达到磁场为零的位置，以达到控制原子自旋态的的目的[3]，从而在1995年的6月实现了87Rb的玻色爱因斯坦冷凝态。

图2 JILA研究组的铷原子玻色爱因斯坦冷凝态

科罗拉多大学JILA研究组的实验结果如图2所示，左上图为从囚禁阱中排出的原子云形成玻色爱因斯坦冷凝态的过程俯视图，左下图为侧视图。图形为吸收图，通过共振激光照射原子云而用CCD摄取原子云的阴影（下同）。第一个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之前，第二个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之中，背景为热运动，第三个图为几乎所有的原子都形成了玻色爱因斯坦冷凝态，热运动背景为球形对称的。右边的图形显示随着温度的降低，更多的原子蒸发了。

实验图是通过从囚禁阱中排出原子云后利用共振光的阴影形成的，形成图形的大小取决于原子从囚禁阱中排出时动量的大小，实验中热运动背景为球形对称的，而玻色爱因斯坦冷凝态的峰图反映了代表动量的波函数是不对称的，这和当前的玻色爱因斯坦冷凝态理论是一致的。

因为实验是破坏性的，因此就要求有很好的可重复性。MIT的沃尔夫冈·克特勒从1990年开始也在沿着上述方法用钠原子来独立的做此研究，所不同的是，他采用强激光束来阻止原子进入囚禁阱中心磁场为零的区域[4]。沃尔夫冈·克特勒的实验成功仅落后于卡尔·维曼和埃里克·康奈尔几个月的时间，而且实验结果相当的精彩，形成玻色爱因斯坦冷凝态的原子数要高出2个量级，如图3所示，这为研究玻色爱因斯坦冷凝态的物理性质提供了更大的可能性。左图为随着温度的降低玻色爱因斯坦冷凝态的密度增长过程，图形宽度为1.0mm，冷凝态中的原子数为7×105。右图为玻色爱因斯坦冷凝态形成过程中密度变化数据，为了清楚，上面的四条曲线是从下面移上去的。

图3  MIT研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态

两个研究小组的实验都很好的证实了理论上对囚禁冷凝态基本性质的计算。JILA研究组通过冷却两部分样品的其中之一，然后通过它与另外的样品进行碰撞而达到冷却的目的，从而形成了两部分冷凝态，用实验证实了理论预言现象。MIT小组的非共振光成像方法实现了冷凝态的无损坏探测，可以对冷凝态与时间的关系进行直接的动力学观测。

4．玻色爱因斯坦冷凝态间的干涉现象

相位关联是玻色爱因斯坦冷凝态的一个重要的物理性质，MIT小组通过把冷凝态分为两部分而观察到了它们之间的干涉图样[5]。证明了相位关联现象的存在。实验结果如图4所示。

图4  MIT研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态的干涉现象

在两部分冷凝态之间的干涉实验中，用激光束对原子的排斥力将冷凝态分为两部分，冷凝态被分为两部分之后被排出阱外在引力场中自由下落，40毫秒之后，两部分相位相关的原子云在下落过程中互相扩大到一起，因为它们之间的相位是一致的，故在原子云叠加的区域出现了干涉现象。图中的干涉图是激光吸收图，图形宽度为1.1毫米，干涉图形的条纹间距为15微米，这对应着非常大的物质波长，常温下的原子德布洛意波长只有0.05纳米，小于原子的尺度。因此这是一个重要的冷凝态相位相关现象。

5．“原子激光”的实现

为了利用相位一致的原子云，就必须把它排出阱外而不损坏它的量子力学性质，MIT研究小组在实验上实现了这一目的[6]。从冷凝态中可以得到原子脉冲，因为冷凝态的相位一致性，这些从冷凝态出来的原子脉冲仍然保持此特性，就象从激光器中发出的光子一样，因此，这种现象称为“原子激光”， “原子激光”就是能够产生大量相位一致的原子束，像激光中的光子束一样。大量的相位一致的原子在囚禁阱中产生（玻色爱因斯坦冷凝态），然后通过输出装置把原子束从阱中排出。实验现象如图4所示。

图5 “原子激光”

左图为俯视图，图中显示了冷凝态原子由电磁脉冲排出阱外后是如何以脉冲的形式发射的，它们在引力场中自由下落并渐渐的扩大；右图为另外一组原子脉冲的图样，这是玻色爱因斯坦冷凝态的“原子激光”所具有的实验现象，图形大小为1.8mm×3.9mm，每个原子脉冲中的原子数界于105到106个。

JILA研究组还研究了冷凝态涡流的形成和集体激发等方面的物理特性，MIT研究组还进一步发展了冷凝态的无损坏成像技术使得多次测量成为可能；观测到了对冷凝态特性有重要影响的原子间作用力的磁场依赖性；另外还观测到了“原子激光”有与普通激光相似的增益现象。

6．展望与结语

碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态为基础量子力学过程的研究提供了特别丰富的机会，理论和实验上的进一步研究工作正在深入[7]~[8]，这包括以光速传播的过程中的非线性问题和多体问题；玻色爱因斯坦冷凝态的研究工作使精确测量成为可能，测量精度只受不确定原理限制；对于研制未来的光学计算机具有非常重要的意义，在全息术和低温物理技术当中也将有广泛的应用。

从多年来的诺贝尔物理学奖的情况来看，大多数为基础物理理论或实验研究，在研究工作的进程当中可能根本就看不到获奖的机会，可是随着理论及技术的进一步发展，它将在物理学领域及工程技术领域发挥重大的影响，也就是说，可能多年之后，人们发现其对物理学的发展作出了巨大的贡献，就像超导理论（1957年完成，1972年获奖）、信息与通信技术（1970年完成，2000年获奖）。而这样的研究成果可能就是获奖侯选项目，我们期待着碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态为科学技术带来的飞跃；也期待着中国的物理学家登上诺贝尔领奖台。

注：JILA是天体物理实验室联合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）的缩写，是美国标准技术局与科罗拉多大学的联合研究所；MIT为美国麻省理工学院。

参考文献

Dallin S Durfee and Ketterle W, Optics Express. Vol. 2, 299(1998)

Monroe C, Swann W, Robinson H andWieman C. Phys. Rev. Lett. 65, 1571(1990)

Petrich W, Anderson M H, Ensher J R and Cornell E A, Phys. Rev. Lett. 74,3352 (1995)

Davis K B, Mewes M O, Andrews M R, van Druten N J, Durfee D S, Kurn D M and Ketterle W. Phys. Rev. Lett. 75, 3969 (1995)

Andrews M R, Townsend C G, Miesner H J, Durfee D S, Kurn D M and Ketterle W. Science 275, 637 (1997)

Mewes M O, Andrews M R, Kurn D M, Durfee D S, Townsend C G and Ketterle W. Phys. Rev. Lett. 78, 582 (1997)

Inouye S, Pfau T, Gupta S, Chikkatur A P, G?rlitz A, Pritchard D E and Ketterle W. Nature 402, 641 (1999)

S. L. Cornish, N. R. Claussen, J. L. Roberts, E. A. Cornell and C. E. Wieman,Phys. Rev. Lett. 85, 1795 (2000)