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铁虫 (初入文坛)

[资源] 2008理论物理西部讲学之刘杰《玻色爱因斯坦凝聚体中的复杂动力学》

本书为作者即将出版的初稿。
作为08年来西部讲学中讲义。

作者：刘杰研究员
单位：北京应用物理与计算数学研究所
研究兴趣：玻色爱因斯坦凝聚，强场物理

简介
气、液、固是人们所熟知的物质的三种基本形态，例如水分子（H2O）随
着温度的不断升高可以表现为冰、水、水蒸气。乐于接受新知识的人还从时下
流行的等离子体彩电中得知随着温度的继续升高还会出现等离子体态。一个
有趣的问题是如果把物质不断冷下去、冷下去...... 一直冷到不能再冷下去，比
如说，接近绝对零度（-273.16±C）吧，在这样的极低温度下，物质又会出现什
么奇异的状态呢？事实上早在1925年， Bose 和Einstein 就给出了这个问题的答
案[1]。他们指出，有一类特殊的粒子（玻色子）在正常温度下可以处于任何
一个能级（能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），它们在各个能
级上的分布几率服从玻色爱因斯坦统计。但在非常低的温度下，大部分粒子
会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状
态的大量粒子的行为像一个超级大的粒子。打个比方，练兵场上散乱的士兵
突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一
样整齐划一地向前走去。后来物理界将物质的这一特殊状态称为玻色-爱因斯
坦凝聚态（BEC），它表示原来不同状态的粒子突然”凝聚”到同一状态。在爱
因斯坦理论预言之后，人们为实现这一物质形态作出了不懈的努力。直到70年
后，也就是1995年，美国国家标准局和科罗拉多大学联合实验室（JILA）、莱
斯大学（RICE）和麻省理工学院（MIT）终于在各自的实验室实现了碱金属
气体原子（87Rb ，7Li 和23Na）的玻色-爱因斯坦凝聚[2]。BEC的实现具有重要
的理论意义和潜在的实用价值。因此，2001年的物理学诺贝尔奖被授予E. A.
Cornell 博士、C. E. Wieman 博士和MIT 的W. Ketterle 教授，以表彰他们的卓越
成就。这个领域是整个物理学界的研究热点，不断有振奋人心的新结果出现。
例如，2004年1月， JILA 的D. S. Jin 领导的实验小组实现了费米原子（40K）对
的凝聚[3]，这一成果是这一领域的又一重大突破，在超导技术上的应用前景十
分广阔，有助于对超导机理的深入理解和下一代超导体的诞生。玻色爱因斯坦
凝聚的实现有着十分重要的科学意义和潜在的应用价值[4]。首先它产生了一个
新物态，从而为实验物理学家提供了一个独一无二的新介质：利用物质波的相
干性可开拓很多新的研究领域，如原子激光器的研究；类比于非线性光学，可
开展非线性原子光学的研究；利用BEC 相干性，可观察凝聚体的涡旋和孤子；
利用Feshbach共振改变原子间相互作用从而可观测到类似超新星和黑洞的BEC
爆炸；研制高准确度和稳定度的原子钟和精密原子干涉仪，从而改善精密测量
的准确度，如超冷原子的碰撞截面和物理常数的测量；在量子信息科学中，如
光速减慢与光信息存储、量子信息传递和量子逻辑操作等；利用BEC 相干性还
可以进行微结构的刻蚀和制作微光电子回路等等。但是，所有这些应用都需要
首先从理论上对BEC 的相干性、宏观量子隧穿、孤子涡旋的产生、BEC 不稳
定性、Bogoliubov 激发等动力学性质有深刻的研究和理解，这也是我们这一小
册子的研究目的所在。
http://www.rayfile.com/files/93ce3523-191c-11de-8105-0019d11a795f/

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