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【科学讲座】陈澍:从BEC到量子统计——冷原子物理的前世今生

 2017年 5月4日晚7点,科学前沿进展名家系列讲座第73讲在玉泉路校区阶一五教室如期举行。本次讲座的主讲人是中国科学院物理研究所的陈澍研究员,他为同学们带来了题为“冷原子物理:从玻色爱因斯坦凝聚到量子模拟”的讲座。

讲座一开始,陈老师风趣地说到,冷原子物理虽然“冷”,但却是一个非常“热”的研究领域。该领域从上世纪90年代开始突飞猛进,是近年来的诺奖大户,也是非常热门的科学前沿。

陈老师接下来介绍了冷原子物理的基础知识。电子+质子+中子数量和为偶数的粒子称为玻色子,如光子;数量和为奇数的粒子称为费米子,如质子、电子、中子本身。在低温下,玻色子可以大量聚集在基态上,而费米子由于泡利不相容原理,只能从最低能量开始一个位置一个位置地填满。

陈老师接下来问道:“多冷才能称为冷原子呢?”在室温下,原子无规则运动的速率是300m/s,要在纳开尔文的温度量级才能使原子的速度降到1cm/s。在这种极致的低温下,粒子动量很小,根据德布罗意物质波波长公式,此时粒子呈现出很强的波动性,牛顿定律不再适用,要用量子力学来描述。陈老师自豪地告诉同学们,“宇宙中最低的温度在地球上,在我们的实验室里”。

陈老师紧接着讲述了冷原子物理的历史。玻色-爱因斯坦统计最早由印度科学家玻色在20世纪20年代提出,当时的世界物理中心在德国,玻色将论文寄给了当时物理学界的顶尖人物爱因斯坦。爱因斯坦受到启发,又在玻色的研究基础上进行了进一步研究。1925年泡利提出泡利不相容原理后,费米和狄拉克紧接着提出了费米-狄拉克统计。1927年泡利意识到电子满足费米-狄拉克统计。1938年 Fritz London意识到BEC是可观测现象。但当时一直未能观测到玻色-爱因斯坦凝聚。连爱因斯坦自己都怀疑,这个理论的确很漂亮,但它实际存在吗?

半个世纪以后,随着激光冷却技术的发展,玻色-爱因斯坦凝聚的研究工作再次被推向科学前沿。利用激光冷却技术可将玻色原子冷却到几千个纳开尔文的量级,再将冷原子放入合适的势阱中,使温度不够低的原子逃走,最终得到了纳开尔文的冷原子,再用另一束激光照射观察原子的分布,1995年,科学家们成功观察到Rb原子的玻色-爱因斯坦凝聚。

之后,陈老师又讲述了费米子的凝聚。通过混合玻色子和费米子,利用使玻色子降温的办法使费米子降温,再分离玻色子和费米子。

最终得到了满足费米-狄拉克统计的冷原子。

在讲解了光晶格里冷原子的强关联和弱关联之后,陈老师又介绍了一下量子气体。陈老师讲到,在这个领域我们仍然仅仅知道它们在一维情形下的几个例子,在量子统计中只有很少的情况下能够严格求解。

最后的提问环节,当被问到前几天引起一定争议的“负质量流体”时,陈老师表示,这里的负质量仅仅是在方程中取到的一个等效的参量,即负等效质量。用“不会扩散的流体”来描述或许更适合。(文/牟枭勇 来源/国科大记者团)

 

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“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为周琪院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机六个专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。