冷原子物理及其应用

冷原子物理及其应用摘要 __多年前，人们通过物理实验方法获得了冷原子，今天超冷原子成为了多学科交叉的枢纽，超低温物理、超低密度凝聚态物理、超低能碰撞物理、非线性与量子原子光学、量子信息处理、精密谱与量

冷原子物理及其应用 摘要 __多年前，人们通过物理实验方法获得了冷原子，今天超冷原子成为了多学科交叉 的枢纽，超低温物理、超低密度凝聚态物理、超低能碰撞物理、非线性与量子原子光学、量 子信息处理、精密谱与量子频率标准等研究汇聚于此。本文章介绍了冷原子物理的相关研究 及其意义。 关键词 冷原子物理，激光冷却，玻色-爱因斯坦凝聚 十多年来，一个新的研究领域——超冷原子物理学蓬勃发展起来。处于“超冷”状态 的原子体系将遵从新的物理规律，其中特别有意义的是原子气体会出现玻色–爱因斯坦凝聚 现象（BEC）。2001 年的诺贝尔物理奖就授予了在BEC 实验实现和性质研究方面做出重要贡 献的英国科学家康奈尔、维曼和德国科学家克特勒。玻色–爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯 坦在70 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）。这一物质形态具有的奇特性质，在 芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。本文介绍BEC的概念、形成条 件和实现途径以及激光冷却中性原子的原理，并说明冷原子的一些相关应用。 一、玻色－爱因斯坦凝聚及其实验研究简史 1924“” 年印度物理学家玻色研究了光子在各能级上的分布问题，他以不同于普朗克的 方式推导出普朗克黑体辐射公式。玻色将这一结果寄给爱因斯坦，请其翻译成德文并在德国 19241925 发表。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。爱因斯坦于和 __ 年发表了两篇文章，将玻色对光子的统计方法到某类原子，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，这就是所谓的玻色－爱因斯坦 (BoseEinstein CondensationBEC) 凝聚－，，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。 从理论上讲，处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故 有人又称其为物质的第五态。玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色－爱因斯坦 统计，而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。 1926 然而，并不是所有微观粒子都服从玻色－爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是年诞