玻色一爱因斯坦凝聚

玻色-爱因斯坦分布
玻色-爱因斯坦分布（Bose-Einstein distribution）是一种描述玻色子的概率分布，它是由印度物理学家萨提亚·恩德拉·博色和阿尔伯特·爱因斯坦于1924年共同提出的。

该分布可以用来描述在热力学平衡状态下多个玻色子所处的能级分布情况。

根据玻色-爱因斯坦分布的公式，玻色子在不同能级上的分布情况是与温度、化学势和能级之间的关系有关的。

在低温下，玻色子会聚集在能量最低的态上，形成玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein condensate），这是一种量子现象，在凝聚态物理中具有重要的应用价值。

玻色-爱因斯坦分布对于解释热力学系统中的许多现象有着重要的作用。

例如，对于黑体辐射，玻色-爱因斯坦分布可以用来计算各个频率上的光子数目，从而得到黑体辐射的能谱分布。

此外，它还可以用来描述超流体、超导体等系统的性质，这些都是凝聚态物理中的重要课题。

总之，玻色-爱因斯坦分布是一种用于描述玻色子在热力学平衡状态下能级分布的概率分布。

它对于解释和研究凝聚态物理中的各种现象具有重要的作用。

玻色爱因斯坦凝聚概念一、引言玻色-爱因斯坦凝聚是物理学中的一个重要概念，它是指在低温下将大量玻色子（如氢原子、氦原子等）聚集在一起形成的一种新的物质状态。

这种凝聚态具有许多奇特的物理性质，如超流动、相干性等，因此受到了广泛的研究和应用。

二、基本概念1. 玻色子玻色子是一类遵循玻色-爱因斯坦统计规律的粒子，其特点是可以占据同一个量子态。

常见的玻色子有光子、声子和某些原子核等。

2. 凝聚态凝聚态是指由大量粒子组成的系统在低温下形成的一种新状态。

常见的凝聚态有固体、液体和气体等。

3. 玻色-爱因斯坦凝聚当低温下大量玻色子占据同一个能级时，它们将形成一个宏观量级的波函数，从而产生了相干性和超流动性质。

这种现象被称为玻色-爱因斯坦凝聚。

三、产生条件1. 低温玻色-爱因斯坦凝聚需要低于玻色子的临界温度，也就是玻色子能够占据同一能级的温度。

2. 高密度为了形成凝聚态，需要大量的玻色子。

这意味着需要将玻色子密集地聚集在一起。

3. 弱相互作用为了保持相干性和超流动性质，需要让玻色子之间的相互作用尽可能地弱化。

四、物理性质1. 相干性由于所有的玻色子处于同一波函数中，它们之间存在着相干性，即它们会同时偏离或回到平衡位置。

这种相干性使得整个系统表现出非常稳定的特点。

2. 超流动性质由于所有的玻色子都处于同一波函数中，它们可以无阻碍地穿过任何障碍物而不损失能量。

这种现象被称为超流动。

3. 凝聚态密度分布在玻色-爱因斯坦凝聚中，大量的玻色子将占据同一个能级，并形成一个密度分布曲线。

该曲线通常呈现出高度对称的形状，且具有明显的峰值。

五、应用1. 模拟宇宙学玻色-爱因斯坦凝聚可以用来模拟宇宙学中的暗物质，从而帮助我们更好地理解宇宙的形成和演化。

2. 超导材料由于玻色-爱因斯坦凝聚具有超流动性质，因此可以用来制造超导材料，从而实现能量损失极小的电力传输。

3. 量子计算玻色-爱因斯坦凝聚可以用来实现量子计算中的一些重要操作，如量子比特的存储和操作等。

玻色———爱因斯坦凝聚的研究谢世标(广西民族学院物理与电子工程系,广西　南宁　530006) 摘　要:　综述了玻色—爱因斯坦凝聚的由来、概念及其形成条件,并介绍了当前国内外玻色—爱因斯坦凝聚研究的动态与进展及其前景展望。

关键词:　玻色—爱因斯坦凝聚;临界温度;激光冷却;磁陷阱中图分类号:　O469　文献标识码:A　文章编号:1003-7551(2002)03-0047-041　玻色—爱因斯坦凝聚的由来我们知道,自然界中,粒子按统计性质分为玻色(Bose)子和费米(Fermi)子。

自旋为整数的粒子,如光子、π介子和α粒子是玻色子,玻色子服从玻色—爱因斯坦统计;自旋为半整数的粒子,如电子、质子、中子、μ介子是费米子,费米子服从费米—狄拉克统计。

1924年6月24日,30岁的印度物理教师玻色送一份手稿给爱因斯坦,试图不依赖经典电动力学来推导普朗克(黑体辐射)定律的系数8πν2/c3,办法是假定相空间最基本区域的体积为h3。

爱因斯坦亲自把玻色的手稿译成德文,送去发表,并在文末加注说:“我以为玻色对普朗克公式的推导乃是一项重大进步,所用方法也将导致理想气体的量子理论”。

爱因斯坦意识到玻色工作的重要性,立即着手这一问题的研究。

他于1924年和1925年发表两篇论文,将玻色对光子的统计方法推广到某类原子,并预言当这类原子的温度足够低时,所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态,这就是我们所说的玻色—爱因斯坦凝聚。

但在很长一段时间里,没有任何物理系统认为与玻色—爱因斯坦凝聚现象有关。

直到1938年,伦敦(F.London)指出,超流和超导现象可能是玻色—爱因斯坦凝聚的表现,玻色—爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。

不过这两种现象都发生在强相互作用的体系中。

超流液氦中只有10%的原子凝聚;超导与玻色—爱因斯坦凝聚的关系要经过电子的配对,涉及更复杂的相互作用。

只有近理想或弱相互作用的玻色气体的玻色—爱因斯坦凝聚,才更易于同理论比较,但一直没有实验证实。

玻色爱因斯坦凝聚态玻色一爱因斯坦凝聚态(BEC)原子气体是一种新的量子流体，已经被公认为物质的第五种状态，已经形成一种间于原子物理与凝聚态之间的新的学科增长点，借助激光与蒸发冷却技术在将一种稀薄原子气体冷却到nK温度时可产生该种物质状态[1]。

玻色一爱因斯坦凝聚态发现与研究自1924年爱因斯坦提出玻色-爱因斯坦凝聚态以来，在实验室水平上实现中性原子气体的这种凝聚态一直是物理学家的目标。

终于在1995年，科罗拉多大学、莱斯大学和麻省理工学院的研究小组在实验室水平上实现了碱金属原子气体的这种凝聚态。

随之诞生了大量相关的理论研究成果。

然而，多数理论研究仅仅限于所谓的二体碰撞作用研究方面，或更进一步扩展到G-P方程，或玻色一爱因斯坦凝聚态的一些基本特性研究。

实际情况是在nK温度时，玻色一爱因斯坦凝聚态表现出很强的集体性，因此，我们不得不从原子结团角度重新审视该种物态的基本特性。

更为重要的是，如果我们能够把握玻色一爱因斯坦凝聚态的内在结团特性，那么我们就可以有一套行之有效的方法处理二个分离的玻色一爱因斯坦凝聚态或更多该种物态之间的相互作用。

因此，故该问题是我们研究的焦点[2]。

理论模型冷原子气体热动力学的主要特征是作为玻色-爱因斯坦凝聚态主要特性的相变温度的存在，传统的说法是在实现该凝聚态时，表现出来的宏观特征为所有的原子占据同一个宏观量子态，尽管玻色一爱因斯坦凝聚态的提出时间可以推溯到1924年，但是其相变问题直到最近才被人们所理解，特别是蒙特一卡诺计算方法的兴起与推行，关于原子之间作用对相变问题的探索才被系统的开发出来，一般的情况是对于小的作用强度，温度是随着原子作用的增加而加大；但是对于大的原子作用，情况正好相反，可以从临界温度的下降来理解有效质量效应。

运动原子通过所感受的场来对其它的原子产生拖拉作用，使有效原子质量加大，由于TcoCl／m，相应地临界温度呈现下降趋向，传统的对弱作用原子气体理论研究，使得弱原子气体情况更为大家所熟悉，直观的理解是原子之间的排斥作用使得凝聚态原子密度波动幅度减小，因此使动量等于零的模式的布局数增加，进而使得温度有所升高，该临界温度的求解，数学性很强，物理解释不直接，玻色原子云通过短程势发生作用，其哈密顿量为：其中as，是散射长度，bq是动量为q的粒子消灭算符，m是粒子的质量，V=L3是系统的体积，我们感兴趣的函数是凝聚态原子数的几率分布，分布几率的表达式为：这里期望值是针对自由系综而言的，Fo F(a=0)是无相互作用体系的自由能。

Bose-Einstein condensation (BEC)玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学大师在70年前预言的一种新物态。

那个地址的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同，它表示原先不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态(一样是基态)。

即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。

形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就仿佛一个玻色子的放大，能够想象着给咱们明白得微观世界带来了什么。

这一物质形态具有的专门性质，在芯片技术、周密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。

此刻全世界已经有数十个室验室实现了8种元素的BEC。

主若是碱金属，还有氦原子和钙等。

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，原子之间和与器壁之间相互碰撞，其彼此作用遵从经典力学定律；低温的原子运动，其彼此作用那么遵从量子力学定律，由德布洛意波来描述其运动，现在的德布洛意波波长λdb小于原子之间的距离d，其运动由量子属性自旋量子数来决定。

咱们明白，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)；而具有相互排斥的特性，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，原子中的电子确实是典型的费米子。

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。

现在，所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。

依照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，现在，物质波之间通过彼此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；当温度为时，现象就消失了，原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态。

在理论提出70年以后，2001年的诺贝尔物理学奖取得者就从实验上实现了这一现象（在1995年）。

这话说起来有点酷：距离我办公桌数百米，在Eric Cornell教授的实验室里，存在着可能是这个星球上甚至这个宇宙中最寒冷的地方。

那里面的物质拥有一种神奇的状态：玻色-爱因斯坦凝聚。

这一切要从费米子和玻色子说起——大家知道，物质是由原子构成的，原子是由质子、中子、电子构成的，而质子、中子等又是由夸克构成的，另外还有传递相互作用的光子、胶子等等。

从原子、质子、中子到夸克、光子、胶子，这些都是微观粒子。

根据它们的物理性质不同，可以将这些微观粒子分成不同的类别，比如：是否为目前认为不能再向下分的基本粒子、是否带有电荷、是否带有静止质量，等等。

中子和质子组成的原子核，再加上核外的电子云就构成了原子的结构（图来自这里）依据微观粒子统计性质的不同，物理学家们把微观粒子划分为两类：费米子和玻色子。

费米子服从费米-狄拉克统计，玻色子则服从玻色-爱因斯坦统计 [1]，简单一点说，这两种统计的不同意味着在不同微观状态之间分布的时候，占据状态方法的不同。

打个比方，如果同一种微观粒子聚众看电影，对于费米子来说，两个人不能同时坐在同一位置上，这就是有名的“泡利不相容”原理，而对于玻色子来说，则可以允许两个甚至更多个人同时坐于同一个位置——虽然位子足够多时，这种情况也很少发生。

不可分辨的同一种粒子抱歉，说起来，前边这个“电影院比喻”其实还是有失准确——因为，当我们面对电影院里的人，还是可以清晰分辨张三和李四的不同。

但当我们面对微观的粒子，同一种微观粒子之间却是不能够分辨的，一个粒子与另外一个粒子并无任何不同，所有人都失去了个性。

我们可以说“两个费米子不能坐在同一个位置上，两个玻色子可以坐在同一个位置上”，但是并不能分清楚到底是哪个微观粒子坐在这个位置上。

这个就是一般统计物理里面说的“全同的量子粒子不可分辨”的概念。

1925年的玻色（来自维基百科相关页面）。

萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894年1月1日－1974年2月4日）是印度的一位物理学家，他最先提出了微观全同粒子不可分辨的概念。

波色-爱因斯坦凝聚玻色－爱因斯坦凝聚。

研究范围：质量不为零，粒子数守恒的波色粒子组成的理想气体。

概念：这种粒子不受泡利不相容原理的限制，当T→0Κ时，几乎所有的玻色子会聚集到能量为0，动量为0的基态，这是并不奇怪的。

令我们感兴趣的是，研究表明，当温度降低到一个有限的低温T（大约为3K）时，就会有宏观数量的波色粒子聚集在基态。

这一情况与蒸汽凝聚有些类似，因而称为玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）。

历史概况：20世纪头20年，物理学界正在萌发量子力学的新兴学科。

在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子的概念，光的量子被称为光子。

德国物理学家普朗克找到了一个经验公式，很好地符合了黑体辐射观测得到的曲线，但是他当时不能解释这一经验公式的物理含义。

时光推到1924年，当时年仅30岁的玻色，接受了黑体辐射是光子理想气体的观点，他研究了“光子在各能级上的分布”问题，采用计数光子系统所有可能的各种微观状态统计方法，以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式，证明了普朗克公式可以从爱因斯坦气体模型导出。

兴奋之余，他写了一篇题为《普朗克准则和光量子假设》的文章投到英国的《哲学杂志》，但被拒绝了。

不得已，他把那篇只有六页的论文寄给了爱因斯坦，期望爱因斯坦能理解他的发现。

爱因斯坦立即意识到玻色工作的重要性，他亲自将文章翻译成了德文，帮助在《德国物理学报》发表了。

之后，爱因斯坦把波色统计方法推广到静止质量不为零、粒子数不变的系统上，建立了量子统计学中波色—爱因斯坦统计。

爱因斯坦将玻色的理论用于原子气体中，于1924和1925年发表了两篇文章，他推测到，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。

后来物理界将这种现象称为玻色－爱因斯坦凝聚。

在波色之前，传统理论认为一个体系中所有的原子（或分子）都是可以辨别的，例如我们可以分辨氧原子、氢原子、碳原子。

量子物理学中的玻色＝爱因斯坦凝聚体物理学量子物理学是一门极为神秘的学科，对于物理学家来说，这是一个充满未知和挑战的领域。

随着科学技术的不断发展，我们的认识也在不断地拓展。

在这个领域中，玻色＝爱因斯坦凝聚物理学（Bose-Einstein condensate physics）成为了一种备受关注的现象。

简单来说，玻色＝爱因斯坦凝聚体（BEC）指的是在低温的环境下，一些愿意“团结”的玻色子粒子会聚集在一起形成一种物质。

这种物质的形态类似于“超原子”，其中的玻色子粒子全部保持在同一个状态，且整个物质的行为表现出类似于经典物理学中物质定量性质的特点。

有趣的是，这种现象在过去几十年里一直是物理学家和研究人员的热门探究领域，而在1995年时，克劳斯·魏曼等人通过冷却和捕捉铷气分子，成功地制造出了第一个玻色＝爱因斯坦凝聚体。

这项研究成果也获得了诺贝尔物理学奖，让物理学界对这一领域的研究更加关注。

从理论上来说，玻色＝爱因斯坦凝聚体物理学是极其重要的。

首先，这种物质形态不同于经典物质形态，它在低温环境下会表现出全新的性质。

比如，它可以像光一样的波动行进，在受到强光干扰时会表现出干涉现象，这些现象和其他物质是不同的。

同时，由于这种物质同质性极高，所以它们在进行复杂的实验和模拟时具有巨大的潜力，这可以帮助物理学家更好地理解量子力学和未知的领域。

这种物质学在生命科学领域中也有巨大的应用潜力，当科学家投入更多的时间和资源进行研究时，也许我们就能看到它们在实际应用中的价值所在。

由于物质定量性质的表现，BEC队列可以像普通物质一样流动及变化，但它在进一步研究可能会为医学和量子计算带来巨大的进展。

尽管该领域有着巨大的应用前景，但研究玻色＝爱因斯坦凝聚体和其他新物理现象也提出了不少难题，这些难题可能需要几十年的时间才能被解决。

但已经有越来越多的科学家加入到这个领域的研究中，这也就更让人期待了。

总之，玻色＝爱因斯坦凝聚体物理学是一种非常有趣、也极为神秘的物理现象。

简述玻色爱因斯坦凝聚现象玻色―爱因斯坦凝聚:对玻色系统,当温度低于临界温度时,处于基态的粒子数有与总粒子数相同数量级的现象叫玻色-爱因斯坦凝聚。

玻色﹣爱因斯坦凝聚（Bose - Einstein Condensate , BEC ）中的冷物质显示出一种奇异的性质，在这种性质中，原子失去了它们的特性，并融合成一个神秘的集体。

为了帮助可视化这个过程，想象一个有100只蚂蚁的蚁群。

你把温度降低到一个开氏温度的十亿分之170——比星际空间的深处还要冷——每只蚂蚁都会变成一团奇异的云，在整个蚁群中蔓延开来。

每一片蚂蚁云都与另一片重叠，所以蚁群里只有一片稠密的蚂蚁云。

你再也看不到单个的蚂蚁；然而，如果你提高温度，蚂蚁云就会区分并返回100个个体，这些个体继续它们的蚂蚁生涯，就好像什么事情都没有发生一样。

在凝聚态物理学中，染色–爱因斯坦凝聚(BEC) 是一种物质状态，通常是在极低密度的玻色子气体冷却到非常接近xxx零（-273.15 °C 或- 459.67°F）。

在这种情况下，大部分玻色子占据最低量子态，此时微观量子力学现象，特别是波函数干涉，在宏观上变得明显。

BEC 是通过将极低密度的气体（密度比正常空气低约100,000 倍）冷却到超低温而形成的。

通常，阿尔伯特·爱因斯坦在1924 年至1925 年首先预测了这种状态，他遵循并归功于Satyendra Nath Bose 关于现在称为量子统计的新领域的开创性论文。

1995 年，博尔德科罗拉多大学的Eric Cornell 和Carl Wieman 使用铷原子创建了玻色-爱因斯坦凝聚体；那年晚些时候，麻省理工学院的Wolfgang Ketterle 使用钠原子制造了BEC。

2001 年，康奈尔、维曼和凯特勒因在碱原子稀气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚，以及对凝聚态性质的早期基础研究而共同获得诺贝尔物理学奖。

玻色爱因斯坦凝聚研究进展玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation，简称BEC）是一种量子物理现象，最早由印度物理学家苏蒂斯·玻色（Satyendra Nath Bose）和爱因斯坦在1924年预言。

在一些条件下，一组玻色子（具有整数自旋的粒子）能够凝聚为一个量子态，所有粒子都处在同一个基态中，形成一个宏观的量子态。

在玻色-爱因斯坦凝聚中，粒子的量子性质变得非常显著。

通常情况下，粒子遵循波动方程，其行为可以由经典波动模型所描述。

然而，在准确的低温条件下，当粒子的波长比粒子之间的距离大得多时，波动性开始显现。

此时，波函数可以描述粒子的位置和动量的不确定性，并且整个系统处于一种相干态。

最早的实验证实了玻色-爱因斯坦凝聚的存在是在1995年由美国科学家埃里克·考伦（Eric Cornell）和卡尔·魏曼（Carl Wieman）以及德国科学家沃尔夫冈·凯特勒（Wolfgang Ketterle）的研究小组在铷原子上实现的。

他们使用冷却技术将铷原子冷却到几乎绝对零度（温度接近绝对零度的冷冻状态）。

在这个极低的温度下，原子的动力学行为可以由玻色-爱因斯坦统计学描述，因此可能形成凝聚态。

他们通过激光冷却和磁场梯度冷却的方法将铷原子冷却到非常低的温度，进而实现了玻色-爱因斯坦凝聚。

自那时以来，关于玻色-爱因斯坦凝聚的研究逐渐深入。

科学家们发现，不仅可以在铷原子上实现玻色-爱因斯坦凝聚，还可以在其他类型的玻色子上实现，包括钠、锂、铯等碱金属原子以及氢气分子和磁光线性晶体等。

在实验研究方面，科学家们还在探索如何调控和操纵凝聚体的性质。

利用电场和磁场的方法，他们可以改变凝聚体的密度和形状，进而改变玻色子之间的相互作用。

他们还通过激光的束缚和操作可以观察和测量凝聚体的运动和行为，甚至可以制备出玻色子的超流体和制造出相干光。

在理论研究方面，科学家们对玻色-爱因斯坦凝聚的性质和行为进行了深入的研究。

5解释玻色——爱因斯坦凝聚现象
玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation）是一种在极低温下发生的物质状态，它是由印度物理学家萨提亚德拉·玻色（Satyendra Nath Bose）和阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期预
测的。

在这种凝聚态中，大量的玻色子（一类特殊的基本粒子，如
光子、重子等）聚集在能级的最低态，形成一种凝聚体，这种状态
在经典物理学中是不可能出现的。

当物质被冷却到接近绝对零度时，粒子的波长开始增大，使得它们开始表现出波动性，多个粒子开始
占据同一个量子态，最终形成玻色-爱因斯坦凝聚。

玻色-爱因斯坦凝聚具有一些独特的物理特性，例如超流动和相
干性。

超流动是指在凝聚体中，粒子不受粘滞力的限制，可以自由
地流动而不损失能量。

相干性则意味着凝聚体中的粒子具有相同的
相位，表现出统一的波动行为。

这些特性使得玻色-爱因斯坦凝聚成
为研究量子现象和开发新型激光器、原子钟等技术的重要工具。

玻色-爱因斯坦凝聚的研究对于理解凝聚态物理学和量子物理学
有着深远的影响。

它不仅为我们提供了一种新的物质状态，也为研
究低温物理学和量子信息领域提供了新的途径和实验平台。

因此，
玻色-爱因斯坦凝聚现象在物理学和相关领域中具有重要的意义。

2001年10月9日瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国国家标准与技术研究所物理学家埃里克·康奈尔(E.A.Cornell)、美国麻省理工学院教授德国人沃尔夫冈·克特勒(W.Ketterle)以及美国科罗拉多大学教授卡尔·威曼(C. E. Wieman)，以表彰他们在稀薄碱金属原子气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚以及在凝聚体性质方面的早期基础性研究。

本文将介绍玻色－爱因斯坦凝聚的研究简史以及三位获奖者的主要贡献。

玻色－爱因斯坦凝聚及其实验研究简史1924年印度物理学家玻色研究了“光子在各能级上的分布”问题，他以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。

玻色将这一结果寄给爱因斯坦，请其翻译成德文并在德国发表。

爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。

爱因斯坦于1924和1925年发表了两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是所谓的玻色－爱因斯坦凝聚(Bose－Einstein Condensation，BEC)，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。

从理论上讲，处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故有人又称其为物质的第五态。

玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色－爱因斯坦统计，而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。

然而，并不是所有微观粒子都服从玻色－爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是1926年诞生的费米－狄拉克统计，这类粒子被统称为费米子。

费米子不同于玻色子，它服从泡利不相容原理，即两个费米子不能占据同一个态。

利用这一点可以解释元素周期表。

费米子之间相互排斥，这是一种量子压力，它在无任何外力时也存在。

而玻色子的情况则相反，一个量子态上可以有任意多个粒子占据着。

微观粒子究竟属于哪一类是由其自旋决定的，自旋为整数的如光子、胶子等是玻色子，而为半整数的如电子、夸克等则是费米子。

銣原子之玻色-愛因斯坦凝聚文/韓殿君摘要利用雷射冷卻，磁阱囚禁與蒸發冷卻等方式，可將銣原子氣體冷卻至達成玻色-愛因斯坦凝聚所需之數百nK之低溫。

本文將簡介達成此一量子簡併態之實驗原理、方式與過程。

一、前言玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation，以下簡稱玻愛凝聚)之物理現象由愛因斯坦於1924年，以印度物理學家玻色(Bose)之光子統計原理為基礎所提出[1, 2]。

愛因斯坦與玻色之統計原理可推廣至所有玻色子(bosons)，此即所謂玻色-愛因斯坦統計(Bose-Einstein statistics)。

一群由相同(identical)[3]玻色子構成之系統(ensemble)，即使該群玻色子間並無任何作用，隨著溫度降低，並達一臨界值(critical temperature)時，該群粒子將大量且巨觀群聚於該系統之能量最基態，此即所謂玻色-愛因斯坦凝聚，為另一物質態(new state of matter)。

玻愛凝聚與一般所熟知於空間之凝聚現象，如水蒸氣凝結成水等不同。

玻愛凝聚乃系統之組成粒子凝聚於動量空間(momentum space)，雖於特殊情況下亦同時伴隨空間之上之凝聚。

氣態中性原子玻愛凝聚體，因粒子間之距離遠較其為液態及固態時為長，因而粒子間之作用力極弱，且極為接近一理想氣體(ideal gas)之系統。

雖玻愛凝聚現象早於其他系統中被觀測，如液態氦中的超流性(superfluidity)與液態氦庫柏對(Cooper pairs)之形成等[4, 5]。

然而，氣態玻愛凝聚體則提供一極單純、理論上極易分析與處理、且實驗上可操控之絕佳系統。

氣態中性原子玻愛凝聚於1995年由美國科羅拉多大學的康乃爾(E. Cornell)、魏曼(C. Wieman)[6]與麻省理工學院的凱特利(W. Ketterle)[7]等首度於實驗室中達成。

至今全球已超過30個實驗群有能力進行該類實驗。

玻色．爱因斯坦凝聚体的光学色散关系1. 引言1.1 玻色．爱因斯坦凝聚体的定义玻色.爱因斯坦凝聚体是一种在极低温度下形成的新奇物质状态，它是一种玻色子的集合体，具有超流性质。

玻色.爱因斯坦凝聚体的形成是由于玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计，可以在相同量子态存在多个粒子，从而导致在低温下发生玻色.爱因斯坦凝聚。

玻色.爱因斯坦凝聚体的形成需要低至绝对零度的极低温度，这样玻色子就可以凝聚到同一量子态。

在这种凝聚体中，玻色子将表现出与普通粒子不同的量子统计特性，导致许多奇特的量子现象的出现。

由于这些特殊的量子性质，玻色.爱因斯坦凝聚体在光学领域具有广泛的应用前景。

玻色.爱因斯坦凝聚体是一种具有特殊量子性质的新奇物质状态，其形成需要极低温度的条件。

对于光学领域而言，玻色.爱因斯坦凝聚体的研究将为我们带来许多新的探索和应用。

1.2 光的色散现象光的色散现象是指在光传播过程中，不同频率的光波会以不同速度传播，导致光的色散效应。

当光波通过介质时，不同波长的光波会受到不同的折射和反射效应，从而使光波在传播过程中发生频率分散现象。

这种频率分散导致不同波长的光在传播过程中走过不同的路径，最终表现为不同波长的光在空间中呈现出不同的色彩。

光的色散现象在光学研究中具有重要的意义，它不仅可以用来研究材料的光学性质，还可以应用于光谱分析、光通信等领域。

在玻色．爱因斯坦凝聚体的研究中，光的色散现象被广泛运用，通过研究不同波长的光在凝聚体中的传播规律，可以揭示凝聚体的光学性质和量子特性，为研究和应用玻色．爱因斯坦凝聚体提供了重要的理论基础。

2. 正文2.1 玻色．爱因斯坦凝聚体的基本特性玻色．爱因斯坦凝聚体是一种由低温原子气体中的玻色子构成的特殊物质相态。

在室温下，这些玻色子表现为独立的粒子，但在极低温度下，它们会出现集体行为，形成一个凝聚态。

这种凝聚态具有非常特殊的性质，如凝聚态中的波函数会重叠，多个粒子可以以相干的方式运动等。

玻色．爱因斯坦凝聚体的基本特性包括低温下的量子统计行为、超流性、准粒子激发等。

玻色-爱因斯坦凝聚（BEC ）玻色-爱因斯坦凝聚现象最早由爱因斯坦预言。

因为玻色子遵循的统计规律，玻色气体中的原子在温度趋近绝对零度时将全部凝聚到能量的基态上。

理想情况下的BEC 完全由玻色气体原子的统计性质造成，而与原子间的相互作用无关。

实验上实现BEC ，需要对玻色气体进行束缚、稀释和冷却，其中的冷却过程在技术上难度最大，也是BEC 实验的关键。

1995年在铷原子气中实现了第一个BEC 系统。

2000年在实验上发现了BEC 中的超流现象，这是继液氦系统之后的第二种超流系统。

与液氦系统相比，BEC 系统具有极弱的相互作用，因而在理论上更容易分析。

同时，BEC 系统的各种物理参数如密度、动能等都在实验上可调。

另外，利用具有自旋的BEC 系统可以进行与自旋有关的超流现象研究，如存在自旋-轨道耦合的BEC 超流及不伴随净质量流的自旋超流等。

相关的理论和实验工作仍在不断取得进展。

本文先通过讨论理想玻色气体在低温下的性质阐明BEC 的量子统计来源，再介绍实验上实现BEC 的束缚、冷却和观测技术，然后介绍与BEC 超流有关的理论和实验方法，最后会简单提及与自旋有关的BEC 超流现象。

1.BEC 的起源：玻色子的统计性质根据量子力学，玻色子在一个量子态上的数目不受任何限制。

以此为基础利用统计系综的方法可以得到理想玻色气体在均匀势场中的粒子数按能级的分布： 111-=-βεεe z a （1） 据此可计算粒子数密度： z z V e z d m h n -+-=⎰∞-111)2(2012/12/33βεεεπ （2） 其中2/32)2(1hmkT n e z πα==-。

右边第二项为基态的粒子数密度。

当温度较高时，1<<z ，（2）式中右边第二项可以忽略，即所有原子都处在0>ε的激发态上。

随着温度降低，使z 接近1时，该项不可忽略，意味着有宏观数目的原子凝聚到基态上。

这便是玻色-爱因斯坦凝聚（BEC ）。