玻色-爱因斯坦凝聚态

气态的、超流性的物质状态

玻色–爱因斯坦凝聚态（玻色—爱因斯坦凝聚体， Bose–Einstein condensate，BEC）是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态（物态）。这种大量具有玻色统计性质的粒子，如同原子“凝聚”到同一状态，称为玻色–爱因斯坦凝聚态。

理论

所有原子的量子态都束聚于一个单一的量子态的状态被称为玻色凝聚或玻色-爱因斯坦凝聚。1920年，萨特延德拉·纳特·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦以玻色关于光子的统计力学研究为基础，对这个状态做了预言。

2005年7月22日，乌得勒支大学的学生罗迪·玻因克在保罗·埃伦费斯特的个人档案中发现了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结果是遵守玻色-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，其中包括光子和氦-4之类的原子，可以分享同一量子态。爱因斯坦推测将玻色子冷却到非常低的温度后它们会“落入”（“凝聚”）到能量最低的可能量子态中，导致一种全新的相态。

一个单纯的三维的气体的临界温度为（气体处在的外部势能是恒定的）：

其中：：临界温度；：粒子密度；：每个玻色子的质量；：约化普朗克常数（狄拉克常数）；：玻尔兹曼常数；：黎曼ζ函数（）。

发现

1938年，彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳（Don Misener）发现氦-4在降温到2.2 K时会成为一种叫做超流体的新的液体状态。超流的氦有许多非常不寻常的特征，比如它的黏度为零，其漩涡是量子化的。很快人们就认识到超液体的原因是玻色-爱因斯坦凝聚。事实上，康奈尔和威曼发现的气态的玻色-爱因斯坦凝聚呈现出许多超流体的特性。

“真正”的玻色-爱因斯坦凝聚最早是由康奈尔和威曼及其助手在天体物理实验室联合研究所于1995年6月5日制造成功的。他们使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-爱因斯坦凝聚。四个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒使用钠-23独立地获得了玻色-爱因斯坦凝聚。克特勒的凝聚较康奈尔和威曼的含有约100倍的原子，这样他可以用他的凝聚获得一些非常重要的结果，比如他可以观测两个不同凝聚之间的量子衍射。2001年康奈尔、威曼和克特勒为他们的研究结果共享诺贝尔物理奖。

与一般人们遇到的其它相态相比，玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。玻色-爱因斯坦凝聚与外界世界的极其微小的相互作用足以使它们加热到超出临界温度，分解为单一原子的状态，因此在短期内不太有机会出现实际应用。

2016年5月17日，来自澳大利亚新南威尔士大学和澳大利亚国立大学的研究团队首次使用人工智能制造出了玻色-爱因斯坦凝聚。人工智能在此项实验中的作用是调节要求苛刻的温度和防止原子逃逸的激光束。

2020年6月10日，加州理工的研究人员在《自然》发表报告，在国际太空站上运行的冷原子实验室，呈现铷及钾原子的玻色-爱因斯坦凝聚。在地球表面的实验室，由于受引力影响，实验的自由膨涨时间只有几十毫秒。在无重状态下，成功将时间延长至超过一秒。

2024年6月，美国和荷兰物理学家成功将钠铯极性分子冷却至接近绝对零度，使1000多个分子处于一个巨大的量子态，形成了分子玻色-爱因斯坦凝聚态。这项成果既可以帮助科学家创造出能无阻力流动的超固体材料，又有助于研制新型量子计算机。

我们知道，常温下的气体原子行为就像台球一样，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，由德布罗意波来描述其运动，此时的德布罗意波波长λ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。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罗意关系，λ=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。

应用

用于降低光速

虽然玻色-爱因斯坦凝聚很难理解也很难制作，但它们也有许多非常有趣的特性。比如它们可以有异常高的光学密度差。一般来说凝聚的折射系数是非常小的因为它的密度比平常的固体要小得多。但使用激光可以改变玻色-爱因斯坦凝聚的原子状态，使它对一定的频率的系数骤增。这样光速在凝聚内的速度就会骤降，甚至降到数米每秒。

自转的玻色-爱因斯坦凝聚可以作为黑洞的模型，入射的光不会逃离。凝聚也可以用来“冻结”光，这样被“冻结”的光在凝聚分解时又会被释放出来。

模拟量子场

海德堡大学科学家使用玻色—爱因斯坦凝聚体（BEC）来模拟膨胀的宇宙及其内部的量子场。通过改变BEC中原子的散射长度，研究小组使“宇宙”以不同的速率膨胀，并研究了声子如何在其中引发密度波动。

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