题目

什么是玻色-爱因斯坦凝聚态?

提问时间：2020-10-08

答案

爱凝聚态 如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去,比如说,接近绝对零度(-273.16℃)吧,在这样的极低温下,物质又会出现什么奇异的状态呢?
这时,奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子,再也分不出你我他了!这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”).
这个新的第五态的发现还得从1924年说起,那一年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,提出了一种关于原子的新的理论,在传统理论中,人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的,我们可以给一个原子取名张三,另一个取名李四……,并且不会将张三认成李四,也不会将李四认成张三.然而玻色却挑战了上面的假定,认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同.
玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视,他将玻色的理论用于原子气体中,进而推测,在正常温度下,原子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),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,就好像一座突然坍塌的大楼一样.处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子.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地向前走去.后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态.这就是崭新的玻爱凝聚态.
然而,实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度,另一方面还需要原子体系处于气态.极低温下的物质如何能保持气态呢?这实在令无数科学家头疼不已.
后来物理学家使用稀薄的金属原子气体,金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态,更不会高度聚集形成常规的固体.实验对象找到了,下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件.由于激光冷却技术的发展,人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温.并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动.这样的实验系统经过不断改进,终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月,两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态.这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖.此后,这个领域经历着爆发性的发展,目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态.
玻爱凝聚态有很多奇特的性质,请看以下几个方面：
这些原子组成的集体步调非常一致,因此内部没有任何阻力.激光就是光子的玻爱凝聚,在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流.超导和超流也都是玻爱凝聚的结果.
玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波,这种波带电,传播中形成一束宏观电流而无需电压.
原子凝聚体中的原子几乎不动,可以用来设计精确度更高的原子钟,以应用于太空航行和精确定位等.
玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性,前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零,将光储存了起来.
玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域,例如,利用磁场调控原子之间的相互作用,可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象,甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞.
随着对玻爱凝聚态研究的深入,又一次彻底的技术革命的号角已经吹响.