量子简并气体 (BEC, DFG)

利用半导体激光实现玻色-爱因斯坦凝聚

  • 玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)
  • 简并费米气 (DFG)
  • 调控简并气体间的相互作用
  • 分子BEC
  • 利用光晶格中的简并气体模拟凝聚态物理

为大家普遍接受的自然中物质存在形式有三种,有时可以是四种,即 固体,液体和气体,以及——如果我们将星星考虑入内——等离子体。经研究表明,物质的存在形式与物质相互作用能量与温度有关。1924年,玻色和爱因斯坦发表了一篇革命性的文章,在文章中他们从理论上证明,在低温状态下,粒子即便相互作用影响可忽略,物质仍会经历相变。该相变的发生应与粒子间互相作用无关,而仅仅依靠全同玻色子不可辩特性带来的统计量子学效果。该理论在当时引起极大轰动,而该相变的直接观察在71年后才得以实现。1995年,三个研究组在稀释原子气中观察到上述现象。六年后,诺贝尔物理学奖被授予E. A. Cornell, W. Ketterle 及 C. E. Wieman “为碱性原子稀释气体玻色爱因斯坦凝聚的实现,以及对相关物质凝聚态的早期研究”。颁奖词的标题更为简练:“新物质状态被发现:玻色爱因斯坦凝聚态”。而这仅仅是至今仍在爆炸式发展的研究领域的开始。玻色爱因斯坦凝聚态物质不仅仅是全宇宙最冷的物质——现已观察到温度低于1纳开(绝对零度上一百万分之一开尔文)的情况, 而且它们还拥有特殊性质,例如如巨型物质波的表现。弱相互作用下的费米子不会通过相变转化至玻色爱因斯坦凝聚态(BEC)。人们依旧可以将费米气冷却至统计量子效应主导的物质状态,该物质系统被称为简并费米气(DFG)并具有非常特殊的性质。两种简并量子气体,BEC和DFG,都被用于在光晶格中进行固体物理研究。原子反应的微调新方法被用于高温超导现象的研究,以产生分子BEC或研究三极BEC。

玻色爱因斯坦凝聚态 (BECs) 形成于原子气相空间密度大于一级整数的情况下。密度高于这一点时,越来越多的原子倾向于占领可达到的最低能级,从宏观上来看,导致原子处于最低量子能态。一种更直观的描述可以从原子的波动本质出发。原子并不是静止互不相干的点,尤其在低温状态下它们展示波动的运动特性。在从热气体转化为玻色爱因斯坦凝聚态的过程中,原子波包的大小变得与原子平均间距相当,这使得原子间能够互相感应类似身份特性。为了增加激光冷却原子气的相空间密度——也就是将其冷却和/或凝聚——人们需要将原子转移至磁或光双极子阱。进一步的冷却可以通过蒸发冷却来实现,蒸发掉高能原子,使得剩余的原子得以重整其热特性,这与一杯热咖啡或茶的冷却过程类似。一般而言,BEC发生于温度低至0.1 µK量级情况下,此时可以观察到从光阱(磁阱)释放出原子云形状的特殊变化。通过利用共振激光束照射原子云并将其投影至CCD照相机上可以观察这个现象。

简并费米气 (DFGs) 的形成条件一般与 BEC 类似。两种情况最大的区别在于,费米气只能在两种不同原子(不同元素,不同同位素或不同的原子内部状态)同时被束缚的时候才能被冷却到低温。DFG的形状与BEC的形状相差非常大,其物理特性也相差甚远。与玻色子不同,多个全同费米子不能同时占据粒子的相同量子态。因此对于费米气来说并不存在费米子全部占据最低量子能态的宏观效应。虽然说在自然中我们还没有观察到BEC, 非原子类粒子构成的简并费米气经证实存在于中子星或金属中。得益于原子冷却技术,中性原子现可用来作为上述系统或简并费米气总体的研究模型

玻色爱因斯坦凝聚态或简并费米气已经成功使用以下元素原子得以验证排序由原子束决定,同时附上首次验证的年份(如有缺漏,欢迎补充,并赢取TOPTICA纪念口杯)

H (1998), He* (2001), Li (1995), Na (1995), K (2001), Ca (2009), Cr (2004), Rb (1995), Sr (2009), Cs (2002), Dy (2011), Er (2012) and Yb (2003).

相互作用调节 不仅为简并量子气的物理特性提供新的变化,同时为许多基础学科研究打开了大门。大部分BEC或DFG仅展示原子之间的弱相互作用(即所谓的“弱相互作用BEC”)。这种相互作用是低温情况下标准的“分子”相互作用,原子间的作用可用坚硬的球来模拟。两个原子像台球相碰一样,仅仅在相距非常近(典型值 10-100 nm)的时候才能感受到互相的存在。这种短程相互作用被称作接触式相互作用,具有各向同性并且是BEC相互作用的主要形式。在Feshbach共振附近,由于分子键能态是通过磁场调节至自由原子能太的,情况会很不一样。通过磁场的微小变化,便可控制相互作用的强度和方向,即强相斥,无相互作用或甚至相互吸引。利用Feshbach共振,人们可以观察到多种相互作用,包括BEC碰撞,三级子BEC以及由分子BEC向高温超导费米子气体的转化。

分子BECs 目前是由原子BEC或DFG气体出发得来的。对分子的直接俘获以及至亚微开量级的直接冷却至今还未实现。在光捕获的原子BEC或DFG基础上,人们可以通过调节磁场至Feshbach共振态之上,将自由原子相干地转化为振动态高度活跃的分子。利用激光脉冲可以将分子从激发态转化至最低能态。特别有意思的是利用光晶格控制住的具有较大电偶极矩的双原子分子。他们使得人们可以研究或模拟如 super solid 或 checker board 这样的特殊量子相位。

光晶格中的简并量子气 可用于固体物理学研究。在这个模型中,原子模拟固体材料中的电子,而光晶格则模拟固体中由正离子产生的周期性势能。简并量子气的优势在于粒子间相互作用可调,并且产生多种类,不同强度的势阱。这样一来,人们便可以研究理论预测现象(例如,超流体向莫特绝缘体的转化,安德森局域化,高温超导)甚至是对无法数值处理而又尚无解析解的固体物理问题进行”量子模拟“。

TOPTICA可提供的附加值 激光是简并量子气实验的关键仪器。他们在激光冷却,光学泵浦,光学捕获,共振照射以及原子的相干转化等环节中都起着重要作用。一般来说,同一台实验装置需要可提供不同波长的多个激光器,其中大多数可以与原子共振频率精确锁定。只有在所有激光同时提供所需特性(例如,线宽,能量,频率等)时,实验才能的到有价值的结果。

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