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中子态中子态 假如在超固态物质上再加上巨大的压力，那么原来已经挤得紧紧的原子核和电子，就不可能再紧了，这时候原子核只好宣告解散，从里面放出质子和中子从原子核里放出的质子，在极大的压力下会和电子结合成为中子这样一来，物质的构造发生了根本的变化，原来是原子核和电子，现在却都变成了中子中子态中子态的定的定义义这样的状态，叫做“中子态”这种形态大部分存于一种叫“中子星”的 星体中，它是由质量为太阳质量的 1.3 到 3.2 倍的恒星晚年发生收缩而造成的， 所以，中子星是小得可怜的、没有生机的星球超固态超固态当物质处于在 140 万大气压下，物质的原子就可能被“压碎”电子全部被“挤出”原子，形成电子气体，裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，这就是超固态一块乒乓球大小的超固态物质，其质量至少在 1000 吨以上简介已有充分的根据说明，质量较小的恒星发展到 后期阶段的白矮星就处于这种超固态它的平均密度是水的几万到一亿倍 美国美国科学家宣称他们可能发现了物质存在的新状态———超固态（或超固体） 。

如果他们的发现是正确的话，那么他们见到的则是物质的一种十分奇异的状态该状态下的物质为一种晶体固态，但能像滑润的、无粘性的液体那样流动 玻色-爱因斯坦凝聚态玻色一爱因斯坦凝聚态一般指玻色-爱因斯坦凝聚态 Bose-Einstein condensation (BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在 80 年前预言的一种新物态这里的“凝聚” 与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态） 即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态这种原子的凝聚是在高能物理状态下的，同种物质原子的量子的一种电子的电核凝聚，在高空陨落的陨石体中就有此类凝聚，属于天然的玻色-爱因斯坦凝聚态，2014 年 6 月在中国一陨石中就发现了这一凝聚态特相图示；中文名中文名 玻色-爱因斯坦凝聚态外文名外文名 Bose-Einstein condensation简简 称称 BEC本本 质质 预言的一种新物态预言者预言者 爱因斯坦比比 喻喻 让无数原子“齐声歌唱▪ 研究情况 ▪ 玻色爱因斯坦冷凝态间的干涉现象 7 原子激光8 第五态1简介形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。

这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量 玻色-爱因斯坦凝聚态和纳米技术等领域都有美好的应用前景全世界已经有数十个室验室实现了 8 种元素的 BEC主要是碱金属，还有氦原子和钙等2发现史概念提出概念提出1924 年印度物理学家玻色提出以不可分辨的 n 个全同粒子的新观念，使得每个光子的能量满足爱因斯坦的光量子假设，也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设，这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了普朗克黑体辐射的半经验公式的问题可能是当初玻色的论文因没有新结果，遭到退稿的命运他随后将论文寄给爱因斯坦，爱因斯坦意识到玻色工作的重要 玻色-爱因斯坦凝聚态性，立即着手这一问题的研究，并于 1924 和 1925 年发表两篇文章，将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒)，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变—新的物质状态产生，所有的原子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1938 年: Landau 提出液氦(He4)超流本质上是量子统计现象，是 BEC 的反映, 并计算出临界温度为 3.2K从此 BEC 开始受到重视从那时起,物理学家都希望能在实验上观察到这种物理现象,但由于找不到合适的实验体系和实验技术的限制,玻色-爱因斯坦凝聚的早期实验研究进展缓慢。

凝聚的实现与天然的发现凝聚的实现与天然的发现20 世纪 90 年代以年来,由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文）, Cohen, Phillips)的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件1995 年实验观察气相原子的玻色-爱因斯坦凝聚的愿望终于实现了!第一批实现 BEC 的几个研究小组分别来自美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA) 、美国莱斯大学（Bradley 小组） 、麻省理工学院(MIT)（Davis 等人）这三个实验宣告了实验观察玻色-爱因斯坦凝聚的实现,在物理界引起了强烈反响,是玻色-爱因斯坦凝聚研究历史上的一个重要里程碑并 2014 年 6 月在中国一陨落的陨石体中发现，天然的玻色-爱因斯坦凝聚，意义重大，其体现了高能粒子物理的微观量子特性如图所示； 此后，有关 BEC 的研究迅速发展，观察到了一系列新的现象如 BEC 中的相干性、约瑟夫森效应、蜗旋、超冷费米原子气体其中许多是当年爱因斯坦和玻色未曾想象过的，BEC 招致了诸多领域现代物理学家的关注3冷凝态理论的详解理论的详解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相碰撞，其相互作用遵从经典力学定律；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，其运动由量子属性自旋量子数来 玻色-爱因斯坦凝聚态决定。

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； 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理论的实现理论的实现在理论提出 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 ）4碱性原子编辑原理原理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 的-9 次方 K） 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 玻色-爱因斯坦凝聚态，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像茶在茶杯中变凉一样实现方法实现方法在磁-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，从而在 1995 年的 6 月实现了 87Rb 的玻色爱因斯坦冷凝态5JILA 编辑科罗拉多大学 JILA 研究组的实验结果显示，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 7×10 的 5 次方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6MIT 编辑研究情况研究情况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 玻色-爱因斯坦凝聚态的计算JILA 研究组通过冷却两部分样品的其中之一，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玻色爱因斯坦冷凝态间的干涉现象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,证明了相位关联现象的存在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7原子激光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。