什么是玻色-爱因斯坦凝聚？

玻色爱因斯坦凝聚（BoseEinstein Condensate，简称BEC）可不是什么科幻小说里的魔法，它是一种非常奇妙的物质状态，在我们普通接触到的固、液、气、等离子体之外，算得上是第五种基本物质形态。要理解它，得从几个关键点说起。

核心是“玻色子”和“统计规律”

首先，我们要知道BEC是由一种叫做玻色子（Bosons）的粒子构成的。大自然中的粒子大致可以分为两类：玻色子和费米子（Fermions）。区别在于它们遵循的统计规律不同。

费米子，比如构成我们身体的电子、质子、中子，它们有一个非常重要的特性叫做泡利不相容原理。简单说，就是两个完全相同的费米子不能占据同一个量子态。想象一下，每个费米子都得有自己独特的“身份证”，不能撞号。这就是为什么原子有分明的能级，电子会填满不同的轨道，形成各种化学性质。
玻色子则不一样，它们没有泡利不相容原理的限制。这意味着，多个玻色子可以“挤”在同一个量子态里，而且它们非常乐意这样做！光子就是最常见的玻色子。

“低温”是关键催化剂

那么，怎么才能让玻色子们乖乖地挤到同一个量子态里呢？这需要一个极端“冷”的环境。具体来说，需要将物质的温度降到接近绝对零度（273.15摄氏度或0开尔文）。

想象一下，在通常的高温下，粒子们都活泼乱跳，能量很高，它们占据着各种不同的量子态，就像一群分散在游乐场各个角落的孩子。当你把温度降得很低时，它们的能量就会变得非常小，活动也变得越来越缓慢。

当温度低到一定程度，大约在微开尔文（百万分之一开尔文）甚至纳开尔文（十亿分之一开尔文）这个量级时，一个神奇的事情发生了。由于玻色子没有不相容原理的束缚，而且它们本身就倾向于占据低能态，当能量低到一定程度时，绝大多数的玻色子就会“塌陷”到能量最低的那个量子态里。

“凝聚”的含义

“凝聚”这个词在这里很重要。它不是我们通常理解的液化成液体那样，而是一种量子力学意义上的凝聚。

想象一下，当绝大多数玻色子都挤在一个最低能级的量子态里时，它们就不再是独立的个体了，而是表现为一个巨大的、宏观的量子态。这就像一群本来分散的个体，突然变成了一个整体，用一种统一的、协调的方式行动。

这个宏观的量子态，就叫做玻色爱因斯坦凝聚。在这个状态下，BEC表现出许多奇异的性质，与我们熟悉的物质状态截然不同。

BEC的一些神奇表现

超流动性（Superfluidity）：BEC可以表现出超流动性，这意味着它可以在极低的摩擦下流动，甚至可以无休止地在管道中循环，仿佛没有阻力一样。这不像普通液体，一旦流动起来，很快就会因为摩擦而停止。
量子相干性（Quantum Coherence）：因为所有的粒子都处于同一个量子态，BEC可以看作是一个巨大的“量子波”。这种相干性使得BEC在一些精密测量和量子技术领域具有巨大的潜力。
干涉条纹：就像光波遇到障碍物会发生干涉一样，BEC在通过狭缝时也会产生清晰的干涉条纹，这直接证明了它们的波动性，而且这种波动性是宏观的。

发现与意义

玻色爱因斯坦凝聚的概念最早在1924年由印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）和德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在对光子的统计规律进行研究时提出。他们预测，当足够多的玻色子被冷却到接近绝对零度时，它们将聚集到最低能量状态，形成一种新的物质状态。

然而，直到1995年，埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和沃尔夫冈·凯特勒（Wolfgang Ketterle）等人，分别利用铷原子和钠原子，成功在实验中实现了BEC，这标志着物理学的一个重大突破。他们也因此获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

为什么说它重要？

BEC的研究不仅仅是发现了物质的一种新状态，更重要的是它为我们提供了一个宏观上观察和研究量子力学现象的平台。我们知道，量子力学描述的是微观世界的规律，但BEC让这些微观世界的奇妙行为，比如叠加、纠缠、量子隧穿等，在我们眼前以宏观的、可控的方式展现出来。

这就像我们以前只能通过显微镜窥探细菌的世界，而BEC的出现，让我们有机会直接“触摸”和“操纵”量子世界的“生物”。这对于发展量子计算、量子通信、精密测量等前沿科技具有极其重要的意义。

总的来说，玻色爱因斯坦凝聚就是一种在极端低温下，由大量玻色子粒子聚集到最低能量量子态而形成的宏观量子物态，它展示了量子力学在宏观尺度上的奇妙应用，是现代物理学研究的重要领域之一。

网友意见

搞点好康的小电影，保证人人爱(ಡωಡ)（视频不是我做的，请看片尾字幕，他们网站上有许多免费的量子物理概念的小电影，保你看了能搞懂。）

来自www.quantummadesimple.com https://www.zhihu.com/video/1174468275105918976

玻色爱因斯坦凝聚Bose-Einstein condensation (BEC) 是爱因斯坦在80年前预言的一种新物态，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。现在全世界已经有数十个实验室实现了8种元素的BEC。有关BEC的研究迅速发展，观察到了一系列新的现象，如BEC中的相干性、约瑟夫森效应、蜗旋、超冷费米原子气体， BEC招致了诸多领域现代物理学家的关注，相关工作已有6人次获得诺贝尔物理学奖。

一、 Bose Einstein 凝聚的实验实现的具体步骤如下：首先利用激光冷却和捕陷技术，获得大数目高密度的超冷玻色原子气体，然后将样品装入静磁阱中，再利用射频蒸发冷却技术进一步降低温度，最后利用光学手段检测是否形成了BEC。

1. 玻色冷原子气体的产生及静磁阱技术

这主要是利用中性原子的激光冷却和捕陷技术来完成，实验上基本采用磁光（可以为磁阱或者光阱）阱捕获和初步冷却足够多的冷原子，然后撤掉磁场，用光学粘团法进一步冷却原子样品，以获得大量的高密度的超冷原子。

结构简单的静磁阱是反向亥姆霍兹线圈形成的四级阱，这种静磁阱的磁场强度在磁场中心处为零，在其附近磁场方向变化剧烈。原子经过磁场零点时，它的自旋取向可能发生变化。对于自旋取向反转的原子，势场零点为势能最高点，原子会溢出阱外。由于存在上述的漏洞，严重地限制了阱中原子密度的增加。为克服它的影响，可以采用“TOP”阱、“loffe”阱等办法。它们都可以有效的解决普通四级静磁阱中心存在的“原子泄漏”问题，为提高阱中原子相空间密度、实现BEC提供了关键的技术保证。

2. 蒸发冷却技术及玻色爱因斯坦凝聚的检测技术

蒸发冷却是有选择地把磁阱中能量较高的原子释放出来，然后剩下地原子通过弹性碰撞重新达到温度更低的热平衡，如此反复不断降低原子气体的温度。在实现BEC的过程中，蒸发冷却（为避免磁场过小，剩下的原子过少）由一个射频场来完成的。在磁阱中，能量较大的原子可达到磁场较强的地方，产生的塞曼分裂也较大。可选择适当的射频场频率，使这些原子跃迁到非囚禁的自旋态而溢出磁阱，通过把射场频率 慢慢降低，迫使更多能量较高的原子溢出磁阱。于是，阱中原子密度和弹性碰撞几率增加，温度变低，最终的温度和相空间密度取决于最后的射频场频率。

观测BEC的形成可采用共振吸收成像技术，用这种技术可以确定原子的数目、密度以及原子的空间分布。

可发生BEC的粒子/准粒子列表：

· photons (Klaers 2010)

· excitons (Dai 2011)

· polaritons (Kasprzak 2006)

· helium (atoms: Santos 2001, molecules: Zwierlein 2003)

· sodium (Davis 1995)

· rubidium (Anderson 1995)

· strontium (Stellmer 2010)

· calcium (Kraft 2009)

· lithium (Bradley 1997)

· cesium (Weber 2003)

· hydrogen (Fried 1998)

· chromium (Griesmaier 2005)

· potassium (Modugno 2001)

· Yb (Takeshi Fukuhara, Seiji Sugawa, Yoshiro Takahashi 2007)

· magnon (S. O. Demokritov et al. 2006)

· phonon (O.V.Misochko 2004)

· Er (10.1103/PhysRevLett.108.210401)

· Dy (10.1103/PhysRevLett.107.190401)

讲一点理论。

无相互作用的极端非相对论理想玻色气体，其激发态粒子数符合以下公式：

其中 是de Brogile热波长：

是Bose-Einstein积分，且自变量跟化学势有关：

而这个积分在 时取到最大值。这样就可以看出，只要

余下的粒子激发态装不下，必须全部跑到基态去，这样就会得到一个BEC相。

或者不调节粒子数，保持 和 为常量，改为调节温度，则可以预测，在一个临界温度之下，就会出现BEC相：

上边粒子数的推导，要用到理想完全非相对论气体的态密度

感谢看到这里的网友们。这里再放一张我受华东师范大学光学国家重点实验室副主任武老师指导，用纯分子动力学模拟做的一个He气体动量分布降温后随时间改变的图。可以看出降温后，动量分布确实变得非常小。但是要实现MD模拟BEC，还需要使用路径积分动力学。我这个只是当时为了教学使用，所以不很严格。

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