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上海光机所知识创新工程试点工作简报

（第六十期）

2002年4月8日

上海光机所玻色-爱因斯坦凝聚研究
取得突破性进展

   玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）是70年前爱因斯坦所预言的新物态。1995年，美国科学家维曼（C.E.Wieman）、康奈尔（E.A.Cornell）和德国科学家克特勒（W.Ketterle）首先从实验上证实了这个新物态的存在，开辟了相干物质研究的新领域。由此，这三位科学家获得了2001年度诺贝尔物理奖。
   上海光机所王育竹院士领导的原子光学研究组，自1999年3月承担国家自然科学基金重点课题“玻色－爱因斯坦凝聚研究”以来，经过三年的艰辛努力，于2002年3月19日，在铷原子云中观察到了玻色－爱因斯坦凝聚现象。这是我国第一个实现玻色－爱因斯坦凝聚的实验。他们在磁阱中对铷原子云进行蒸发冷却的过程中，突然观察到原子云对探测光束的衍射现象，这个结果与美国Rice大学Hulet小组观察到的现象一致。原子云对探测光束的衍射，表明原子云密度在空间的分布发生了巨大的变化，它是凝聚体存在的灵敏指示。衍射条纹的出现，证实原子云中发生了BEC相变。当出现衍射条纹时，原子云的光学厚度迅速减小，说明原子云中的多数原子进入凝聚体。在实验中，初始装载的原子数约108个原子，温度约25微（10-6）K，其他详细的数据正在整理中。
   实现玻色－爱因斯坦凝聚，对实验技术提出了极刻苛的要求：原子气体的温度达到纳K（10-9）量级，原子的相密度必须提高1018倍。这是一个难度很高的物理实验。正如诺贝尔物理奖获得者维曼教授指出：“在任何一个实验室，实现玻色－爱因斯坦凝聚都是一场挑战”。
   玻色－爱因斯坦凝聚的实验有着十分重要的科学意义和潜在的应用价值。首先产生一个新物态的存在，并且是用一个相干波函数描述的物态，为实验物理学家提供了一个独一无二的新介质。利用物质波的相干性可开拓很多新的研究领域：如原子激光的产生和放大研究；类比于非线性光学，非线性原子光学的研究；利用BEC的相干性，可进行凝聚体的涡旋态研究；利用Feshback共振改变原子间相互作用的符号，从而导致超新星的BEC爆炸；由于费米子不能处于最低能态，即使在零温度下仍有压力存在。因此，可在实验中模拟白矮星的内部压力。在应用技术方面已提出了很多新的设想和建议：研制高准确度和稳定度的原子钟和精密原子干涉仪；改善精密测量的准确度；如原子物理常数的测量和微重力的测量；在量子信息科学研究中，如光速减慢与光信息存储、量子信息传递和量子逻辑操作等；利用BEC的相干性进行微结构的刻蚀等。

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