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玻色-爱因斯坦凝结态
来源:本站原创    发布时间:2019-08-07

  近日,《Nature》颁发了一项物理学沉磅研究:科学家们正在太空中初次创制了“物质的第五态”——玻色-爱因斯坦凝结态(BEC),并成功刷新了中的最低温度。客岁1月,研究人员将一块由铷-87原子制成的微型芯片发射到离地面200公里外的地球轨道上。使命很简单,芯片只需要...

  2016年5月17日,来改过南威尔士大学和国立大学的研究团队初次利用人工智能制制出了玻色-爱因斯坦凝结。人工智能正在此项尝试中的感化是调理要求苛刻的温度和防止原子逃逸的激光束。

  自转的玻色-爱因斯坦凝结能够做为黑洞的模子,入射的光不会逃离。凝结也能够用来“冻结”光,如许被“冻结”的光正在凝结分化时又会被出来。

  (Bose–Einstein condensate)是正在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质形态(物态)。1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利取科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼利用气态的铷原子正在170 nK的低温下初次获得了玻色-爱因斯坦凝结。正在这种形态下,几乎全数原子都堆积到能量最低的量子态,构成一个宏不雅的量子形态。

  虽然玻色-爱因斯坦凝结很难理解也很难制做,但它们也有很多很是风趣的特征。好比它们能够有非常高的光学密度差。一般来说凝结的折射系数常小的由于它的密度比泛泛的固体要小得多。但利用激光能够改变玻色-爱因斯坦凝结的原子形态,使它对必然的频次的系数骤增。如许光速正在凝结内的速度就会骤降,以至降到数米每秒。

  康奈尔、威曼和克特勒的成果惹起了很多试验项目。好比2003年11月因斯布鲁克大学的鲁道尔夫·格里姆、科罗拉多大学鲍尔德分校的德波拉·金和克特勒制制了第一个形成的玻色-爱因斯坦凝结。

  “实正”的玻色-爱因斯坦凝结最早是由康奈尔和威曼及其帮手正在物理尝试室结合研究所于1995年6月5日制形成功的。他们利用激光冷却和磁阱中的蒸发冷却将约2000个稀薄的气态的铷-87原子的温度降低到170 nK后获得了玻色-爱因斯坦凝结。四个月后,麻省理工学院沃尔夫冈·克特勒利用钠-23地获得了玻色-爱因斯坦凝结。克特勒的凝结较康奈尔和威曼的含有约100倍的原子,如许他能够用他的凝结获得一些很是主要的成果,好比他能够不雅测两个分歧凝结之间的。2001年康奈尔、威曼和克特勒为他们的研究成果共享诺贝尔物理。

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  所有原子的量子态都束聚于一个单一的量子态的形态被称为玻色凝结或玻色-爱因斯坦凝结。1920年,萨特延德拉·纳特·玻色阿尔伯特·爱因斯坦以玻色关于光子统计力学研究为根本,对这个形态做了预言。

  早正在1924年玻色和爱因斯坦就从理论上预言存正在别的的一种物质形态——玻色爱因斯坦冷凝态,即当温度脚够低、原子的活动速度脚够慢时,它们将集聚到能量最低的统一量子态。此时,所有的原子就象一个原子一样,具有完全不异的物质。

  我们晓得,常温下的气体原子行为就象台球一样,原子之间以及取器壁之间互相碰撞,其彼此感化服从典范力学定律;低温的原子活动,其彼此感化则服从量子力学定律,由德布罗意波来描述其活动,此时的德布罗意波波长λdb小于原子之间的距离d,其活动由量子属性自旋量子数来决定。我们晓得,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。

  按照量子力学中的德布洛意关系,λdb=h/p。粒子的活动速度越慢(温度越低),其物质波的波长就越长。当温度脚够低时,原子的德布洛意波长取原子之间的距离正在统一量级上,此时,物质波之间通过彼此感化而达到完全不异的形态,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,热活动现象就消逝了,原子处于抱负的玻色爱因斯坦冷凝态。摘自灵遁者量子力学册本《见微知著》

  2005年7月22日,乌得勒支大学的学生罗迪·玻因克正在保罗·埃伦费斯特的小我档案中发觉了1924年12月爱因斯坦手写的原文的草稿。玻色和爱因斯坦的研究的成果是恪守玻色-爱因斯坦统计的玻色气体。玻色-爱因斯坦统计是描写玻色子的统计分布的理论。玻色子,此中包罗光子和氦-4之类的原子,能够分享统一量子态。爱因斯坦猜测将玻色子冷却到很是低的温度后它们会“落入”(“凝结”)到能量最低的可能量子态中,导致一种全新的相态。

  1938年,彼得·卡皮查约翰·艾伦和冬·麦色纳(Don Misener)发觉氦-4正在降温到2.2 K时会成为一种叫做超流体的新的液体形态。超流的氦有很多很是不寻常的特征,好比它的黏度为零,其漩涡是量子化的。很快人们就认识到超液体的缘由是玻色-爱因斯坦凝结。现实上,康奈尔和威曼发觉的气态的玻色-爱因斯坦凝结呈现出很多超流体的特征。

  取一般人们碰到的其它相态比拟,玻色-爱因斯坦凝结很是不不变。玻色-爱因斯坦凝结取世界的极其细小的彼此感化脚以使它们加热到超出临界温度,分化为单一原子的形态,因而正在短期内不太无机会呈现现实使用。

  玻色子具有全体特征,正在低温时集聚到能量最低的统一量子态(基态);而费米子具有互相的特征,它们不克不及占领统一量子态,因而其它的费米子就得占领能量较高的量子态,原子中的电子就是典型的费米子。