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玻色—愛(ài)因斯坦凝結(jié)created1995Predicted1924…Long-timestory!統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一
In1924theIndianphysicistSatyendraNathBosesentAlbertEinstein
apaperinwhichheusedastatisticalargumenttoderivetheblack-bodyphotonSpectrum.
AndthenEinstein
extendedtheideatothecaseofnon-interactingatoms
Bose'stheorytoanidealgasofidenticalatomsormoleculesforwhichthenumberofparticlesisconserved.1995......AlbertEinsteintranslateditintoGermanandgotitpublished.Inthesameyear,predictedthatatsufficientlylowtemperaturestheparticleswouldbecomelockedtogetherinthelowestquantumstateofthesystem
——Bose-Einsteincondensation(BEC).統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一§7.6玻色—愛(ài)因斯坦凝結(jié)Bose-Einsteincondensation討論非相對(duì)論性自由玻色系在低溫下的性質(zhì)
自由玻色系的特征
CharacteristicoffreeBosonsystems
玻色—愛(ài)因斯坦凝結(jié)
Bose_EinstainCondensationλ相變
λ-PhaseTrnsation
玻色—愛(ài)因斯坦凝結(jié)的新進(jìn)展
NewProgressesinBEC統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一1.自由玻色系的特征CharacteristicoffreeBosonsystems單粒子能級(jí)
統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一考慮自由玻色子組成的體系粒子按能級(jí)分布粒子數(shù)守恒確定α因而μ(=–α/β)求和變積分統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一基態(tài)(ε0=0)粒子數(shù)非負(fù)
α
0,μ
<0假定無(wú)簡(jiǎn)并ωl=1(如He原子)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一求和變積分正確性??l=0即
ε=0(p=0)項(xiàng)(點(diǎn))??計(jì)入l=0開(kāi)區(qū),未計(jì)入
加上挖去的能量零點(diǎn)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一非零能級(jí)項(xiàng)x=βε統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一2.玻色—愛(ài)因斯坦凝結(jié)(BEC)Bose_EinstainCondensation定性分析定N.
降T(增β),μ必然增,至0則停T
TC,
α0α>0時(shí)不突出統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一T<TCα=0
突出統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一基態(tài)粒子比份T>TC
彌散態(tài)T<
TC
凝結(jié)態(tài)T=
TC
相變點(diǎn)T
0
全部凝結(jié)1
01統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一
●
●
●
●●●●●●●P=0級(jí)
●
●
●●●●●●●●彌散態(tài)(動(dòng)量空間)凝聚態(tài)
玻色凝結(jié):μ=0,<n0>與N可比動(dòng)量空間的凝聚現(xiàn)象體系的化學(xué)勢(shì)隨溫度變化(如光子μ=0而不隨溫變)降溫可以使μ=0,否則沒(méi)有玻色凝結(jié)。維數(shù)的影響:一、二維系統(tǒng)無(wú)玻色凝結(jié)
不會(huì)趨0
統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一3.λ
相變?chǔ)?PhaseTrnsationCV/Nk
相I
相II3/2
CV
T3/2
TC~3.14
TSpecificHeatofBoseGasesBEC??ExperimentalCurveofλ–SpecificHeatCV
TC~2.19
T統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一4He(Boson)
的λ
–
比熱反映Bose-Condensation?λ
–
比熱反映的相變?yōu)槎?jí)相變!內(nèi)能E的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù),二階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)歷史上解釋?zhuān)?!后人?He相變還不是玻色凝結(jié)態(tài)的證明!?(二流體模型)HeI正常態(tài)HeII超流態(tài)(凝結(jié)態(tài))尋找玻色子在實(shí)空間的凝結(jié)—新形態(tài)??統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一4.玻色凝結(jié)的新進(jìn)展
NewProgressesinBEC
ConditionsforBoseCondensationNobelPrizeinPhysics1997NobelPrizeinPhysics2001
BECinChina統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一ConditionsforAchievementofBEC(1)Lowtemperature
T~10–9(e.g.Rb)
Coolingandtrappingatoms
(2)Higherdensity
n~1011-12
Trappingatomsbyusinglaser(3)Systemkeepsinthegasphase
(Non-interaction)nλ3~
2.612λT–1/2n=N/VSpinpolarizationHatoms
Alkalimetalatoms
1995統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一
TheNobelPrizeinPhysics1997"fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight"StanfordUniv.
Stanford,CA,USA
b.1948CollègedeFranceandécoleNornaleSupérieureParis,Franceb.1933NationalInstituteofStandardsandtechnology,MD,USAb.1948Theirresearchishelpingustostudyfundamentalphenomenaandmeasureimportantphysicalquantitieswithunprecedentedprecision.ClaudeCohen-Tannoudji
StevenChu
WilliamD.Phillips統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一1980swhenWilliamPhillipsdevelopednewmethodsofdeceleratingafastatombeam.In1985thefirstreportscamefromexperimentswherethemeanvelocityhadbeenreducedfrom1000m/stozero.DecelerationofAtoms
MOTThemostoftenusedforatomtrapistheMagneto-OpticalTrap(MOT).
StevenChu
usedDopplercoolingwiththreepairsofcounter-propagatinglaserbeams.Atom,regardlessofwhatdirectionitismoving,willencounterafrictionforceandthevelocityspread(andthetemperature)willbereducedopticalMolasses.Acollectionofsodiumatoms(yellowdotinmiddleofpicture)trappedinaMOT.Lightactsmechanicallyonmaterialobjects,tochangetheirpositionsandvelocities.Laserreducesthevelocityspread(cooling),orconfinetheatoms(trapping).統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一NewcoolingmechanismsExplanationsofthelowtemperatureswerefoundbyClaudeCohen-TannoudjiandbyStevenChu.GreekmythologyhasitthatSisyphusmustendlesslyrollastoneupahillintheUnderworld.Assoonashereachesthetopthestonerollsdownagain.Oneexampleofthenewcoolingmechanismsis
Sisyphuscooling,wheretheconceptsoflightshiftandopticalpumpingplayanimportantrole.
統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一SisyphuscoolingCohen-Tannoudji
developedthefollowingphysicalpicture:10-6KTheatomsmoveonasinusoi-dallymodulatedpotentialsurface,
whentheyinteractwithlight(lightshift).Whentheytravel'uphill'theylosespeed.Astheyreachthetopofthe'hill'theyareopticallypumpedtothebottomofa'valley'.Inthiswaytheatomswillalwaystravel'uphill',andthustheirvelocitywillgraduallybereduced.繼續(xù)降溫玻色凝結(jié)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一TheNobelPrizeinPhysics2001"fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates"EricA.CornellUSAUniversityofColorado,JILA
Boulder,CO,USAb.1961WolfgangKetterleFRG
MIT,
Cambridge,MA,USAb.1957
CarlE.WiemanUSAUniversityofColorado,JILA
Boulder,CO,USAb.1951統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一
Program
GetfirstlyagreatdealofBoseatoms
withhighdensityandcooledtemperature(Lasercoolingandtrappingtechnology)Putthesampleinastaticmagneticwell(Magnetictrapping)Chillingevaporativelytheatomgas(Evaporativelychillingtechnology)Observingcondensation(Resonantabsorption)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一Rubidium(Rb)1995EricA.CornellCarlE.Wieman統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一
Threedensitydistributionsoftheexpandedcloudsofrubidiumatomsatthreedifferenttemperatures.Theoriginalexperimentaldataisatwo-dimensionalblackandwhiteshadowimage,buttheseimageshavebeenconvertedtothreedimensionsandgivenfalsecolordensitycontours.0.2mm400nK200nK50nK統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一Sodium(Na)1995WolfgangKetterle統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一ObservationofBose-Einsteincondensationbyabsorptionimaging.Shownisabsorptionvs.twospatialdimensions.Theleftpictureshowsanexpandingcloudcooledtojustabovethetransitionpoint;middle:justafterthecondensateappeared;right:afterfurtherevaporativecoolinghasleftanalmostpurecondensate.Thewidthoftheimagesis1.0mm.Thetotalnumberofatomsatthephasetransitionisabout7x105,thetemperatureatthetransitionpointis2
mK.統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)電教課之一Fig.4.DirectobservationoftheformationofaBose-Einste
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