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1、 南 京 师 范 大 学 泰 州 学 院毕 业 论 文（设 计）（ 2014 届）题 目： 玻色-爱因斯坦凝聚理论研究 院（系、部）： 信息工程学院 专 业： 物理学（师范） 姓 名： 严加林 学 号： 12100134 指导教师： 朱庆利 南京师范大学泰州学院教务处 制I摘要玻色-爱因斯坦凝聚(玻色爱因斯坦凝聚)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。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
2、观世界带来了什么。本文针对玻色-爱因斯坦凝聚这一课题，综述了玻色-爱因斯坦凝聚理论的诞生和发展、概念及其形成条件。在凝聚体实现发面，随着科学技术的发展，我们实现了玻色-爱因斯坦凝聚。1995年，随着 JILA 小组、MIT小组、Rice大学的试验成功，玻色-爱因斯坦凝聚到热浪被推上了高潮。本文中还将介绍一些玻色爱因斯坦凝聚的实验和国内外的研究动态，最后展望了其发展前景。关键词：玻色-爱因斯坦凝聚，激光冷却与囚禁，原子激光IIAbstractBose Einstein condensation (BEC) is a new material predicted by science master
3、 Einstein in 80 years ago. Here the cohesion is different from condensation in everyday life. It says that different states of atomic suddenly condensed to the same state (usually the ground state). In different states of atoms condensed to the same state. Figure ground says, this is like so many at
4、omic sing in union, amplifying its behavior as a boson, you can imagine what brings to our understanding of the microscopic world. According to Bose Einstein condensates of this topic, reviews the Bose Einstein condensates birth and development, theory and its formation conditions. In the realizatio
5、n of yeast aggregates, with the development of science and technology, we realize the Bose Einstein condensation. In 1995, with the test of JILA group, MIT group, Rice Universitys success, Bose Einstein condensates to heat was pushed to the climax. This paper will also introduce some of Bose Einstei
6、n condensation in the experiment and research dynamic status, and its development prospects.Keywords: Bose Einstein condensation, laser cooling and trapping, Atom laserIII目 录摘 要 .1Abstract.II第一章 引言 .11.1 冷原子 .11.2 玻色-爱因斯坦凝聚 .1第二章 玻色-爱因斯坦凝聚的研究历史 .22.1 玻色-爱因斯坦凝聚的诞生 .22.2玻色-爱因斯坦凝聚的发展 .2第三章 玻色-爱因斯坦凝聚的概念
7、及形成条件 .53.1 玻色-爱因斯坦凝聚的概念 .53.2 实现玻色-爱因斯坦凝聚的物理条件 .6第四章 玻色-爱因斯坦凝聚的实验简介 .84.1 实现玻色-爱因斯坦凝聚的探索 .84.2 Colorado大学的JILA小组的工作 .104.3 MIT小组的工作 .104.4 Rice大学的工作 .11IV4.5 其他小组的工作 .12第五章 玻色-爱因斯坦凝聚的研究动态 .144.1 国外动态 .144.1 国内动态 .15第六章 玻色-爱因斯坦凝聚的前景展望 .17结束语 .18致 谢 .19参考文献 .201第一章 引言1.1冷原子近年来，超冷原子物理学蓬勃的发展起来。超冷原子是将原子
8、保持在一个极低温的状态（接近绝对零度，0K），一般来说其典型温度在百纳开左右。在这样的低温状态下，原子的量子力学性质变得十分重要。要到达如此低的温度，则需要好几种技术的配合使用。首先将原子囚禁于磁光阱中，并用激光冷却预冷。再利用蒸发制冷，以达到更低的温度。当原子被降到足够低的温度时，他们将会处于一种新的量子物态。对于玻色型原子气会产生玻色-爱因斯坦凝聚；对于费米型原子气，则形成简并费米气。由于原子间存在相互作用，实际上绝大多数原子在低温下的基态是形成固体，因此这类原子气实际上处于亚稳态。但是当原子气足够稀薄，碰撞概率足够小，这种亚稳态可以比较长时间的存在。无论是费米子还是玻色子，如果原子间相互
9、为吸引作用，上述原子气所描述的状态将会失稳而塌缩。对于费米型气体，某种原子间的吸引作用可能形成类似超导当中的库伯（Cooper）对，而形成新的基态。实验上，超冷原子应用于许多方面，而超冷原子物理学中特别有意义的就是原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚，处于这种新状态的物质就叫玻色-爱因斯坦凝聚体。1.2 玻色-爱因斯坦凝聚 玻色-爱因斯坦凝聚是独一无二的量子力学相变，因为它是原子间无相互作用条件下发生的。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
10、相同的物理性质。在理论上，玻色-爱因斯坦凝聚对基础研究具有重要意义，它证实了存在一种新的物质态，为实2验物理学家提供了一种独一无二的新介质；在应用上，科学家们已经提出了很多设想：如改善精密测量的精准度，制造原子钟、原子干涉仪，测量原子原子物理常数和微重力；实现光速减慢、光信息存储、量子信息传递和量子逻辑操作：进行微结构刻蚀等。例如，玻色-爱因斯坦凝聚体中的原子几乎不动，可以用来涉及精准度更高的原子钟，以应用于太空航行和精准度更高的原子钟，以应用于太空航行和精准定位等。虽然玻色-爱因斯坦凝聚名词诞生了九十年，但近二十年才得到快速发展，从未来的发展前景看，这是科学史上的一个新的世界。本文对玻色-爱
11、因斯坦凝聚的由来、发展、概念及形成条件和一些实验进行介绍，并研究了国内外动态最后展望了其发展前景。3第二章 玻色-爱因斯坦凝聚的研究历史2.1 玻色-爱因斯坦凝聚的诞生我们知道，自然界中，粒子按统计性质分为玻色子和费米子。自旋量子数为整数的粒子，如光子、介子和粒子是玻色子，玻色子服从玻色爱因斯坦统计；自旋量子数为半整数的粒子，如电子、质子、中子、介子是费米子，费米子服从费米狄拉克统计。1924年6月24日，达卡大学（当时属印度，现在归孟加拉）的一个叫玻色的年轻教师寄了一篇6页的文章给举世闻名的物理学家爱因斯坦。文章的标题是“普朗克定律和光量子假说”试图不依赖经典电动力学来推导普朗克(黑体辐射)
12、定律的系数 ，办法是假定相空间最基本区域的体积为 。爱因328c 3h斯坦立即意识到文章的重要性亲自把它译成德文，在德国物理杂志发表,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”。爱因斯坦之后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。处于玻色爱因斯坦凝聚态的物质，所有玻色子都处于同一能量最低的状态，并且有相同的物理特征，它是一种由微观粒子的量子性质所产生的宏观现象。2.2玻色-爱因斯坦凝聚的发展4但在很长一段时间里，没有任何物理系统被认为与玻色爱因斯坦凝聚现象有关。直到1911年超导现象的发现和1938年卡皮查发现液氦在2.17K的超流转变（他因此项发现和其他贡献获得了 1978年诺贝尔物理学奖），科学家们开始意识到超导和超流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
