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csfn

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[资源] 【学术讲坛】玻色-爱因斯坦凝聚态简介

物质存在的方式有几种？绝大部分人知道有气态、液态和固态；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有等离子体态；但很少有人知道，还有用伟大物理学家爱因斯坦的名字命名的“第五态”——玻色—爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate简称BEC）。
对于玻色-爱因斯坦凝聚态的起源可追溯到1924年。当时，达卡大学（当时属于印度，现在归孟加拉）的一个年轻教师叫玻色，他寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新统计理论，它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。众所周知，粒子按其在高密度或低温度时的集体行为不同可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。量子力学认为，自然界的粒子不是玻色子，就是费米子。这两类粒子特性的区别，在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，各自占据着不同的量子态。区分这两类粒子的重要特征是自旋。量子力学有一个重要结论是：自旋是量子化的。这就是说，自旋只能取普朗克常数的整数倍（玻色子，如光子、胶子、W及Z玻色子、希格斯粒子、π介子、或由偶数个核子组成的原子核和碱金属原子等都可称作玻色子）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）。费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律。前者遵循费米-狄拉克统计，其中一个显著的特点是1925年瑞士科学家泡利发现的“泡利不相容原理”，即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上的电荷、动量和自旋同向等方面完全相同的费米子。这就像电影院里的座位，每座只能容纳一个人。而玻色子则完全不同，一个量子态可以容纳无穷多个玻色子。因此，也只有玻色子才可能出现有多个粒子聚集体在同一量子态的玻色－爱因斯坦凝聚现象。在玻色－爱因斯坦凝聚态的研究历史中具有“里程碑性质”则是1995年，美国科罗拉多大学JILA研究所的Wieman和Cornell将铷原子气降到宇宙最低温度10-9度，首次成功观察到BEC现象；同年，麻省理工学院的Wolfgang Ketterle也在钠原子气中实现了BEC——他们因此获得2001年度诺贝尔物理学奖。
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