常温下的气体原子行为就象台球一样，原子之间以及与器壁之间互相碰撞，其相互作用遵从经典力学定律,图1（a）；;低温的原子运动，其相

玻色爱因斯坦冷凝态

背景:在2001 年诺贝尔物理学奖上提出为现在世界的第五种物质形

态，他们分别为气体、固体、液体、等离子体和1995 年刚刚发明的

玻色一爱因斯坦冷凝体。

第六种形态为 费密冷凝体

人物:

2001 年诺贝尔物理学奖由3 位物理学家共享。获得者为：美国科罗

拉多大学的埃里克·康奈尔（Eric A.Cornell）教授、美国麻省理工

学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle ）教授和美国科罗拉

多大学的卡尔·维曼（Carl E. Wieman）教授，他们的主要研究工作

为原子物理领域中的"稀薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研

究"和"对冷凝物的早期基础研究工作"。三位获奖者将均分总数为一千万瑞典克郎（折合美

金约100 万）的诺贝尔物理学奖奖金。三位获奖者简历如下：

埃里克·康奈尔（Eric A. Cornell），40 岁，1961 年出生于加里佛尼亚，1990 年获得麻

省理工学院的物理博士学位，现为美国国家标准技术研究所的资深科学家、科罗拉多大学的

教授。

沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle ），44 岁，居美德国人， 1957 年出生于德国海德

堡，1986 年获得德国的物理博士学位，现为美国麻省理工学院的教授。

卡尔·维曼（Carl E. Wieman），50 岁，美国人， 1951 年出生于俄勒冈州，1977 年获得

斯坦福大学的物理博士学位，现为美国科罗拉多大学的教授。

玻色爱因斯坦冷凝态

常温下的气体原子行为就象台球一样，原子之间以及与器壁之间互相碰撞，其相互作用遵从

经典力学定律，图1（a）；低温的原子运动，其相互作用则遵从量子力学定律，由德布洛

意波来描述其运动，此时的德布洛意波波长λdb 小于原子之间的距离d，图1（b），其运

动由量子属性自旋量子数来决定。我们知道，自旋量子数为整数的粒子为玻色子，而自旋量

子数为半整数的粒子为费米子。玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子

态(基态)；而费米子具有互相排斥的特性，它们不能占据同一量子态，因此其它的费米子就

得占据能量较高的量子态，原子中的电子就是典型的费米子。早在1924 年玻色和爱因斯坦

就从理论上预言存在另外的一种物质状态---玻色爱因斯坦冷凝态，即当温度足够低、原子

的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时，所有的原子就象一个原

子一样，具有完全相同的物理性质。根据量子力学中的德布洛意关系，λdb=h/p。粒子的运

动速度越慢（温度越低），其物质波的波长就越长。当温度足够低时，原子的德布洛意波长

与原子之间的距离在同一量级上，此时，物质波之间通过相互作用而达到完全相同的状态，

其性质由一个原子的波函数即可描述，图1（c）

当温度为绝对零度时，热运动现象就消失了，原子处于理想的玻色爱因斯坦冷凝态【1】，

图1（d）。

在理论提出70 年之后，2001 年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上实现了这一现象（在1995

年）。实验是利用碱性原子实现的，碱性原子形成的冷凝态，是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷

凝态，因此可以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。前些年的物理研究也部分的实

现了玻色爱因斯坦冷凝态，例如超导中的库泊电子对无电阻现象，超流体中的无摩擦现象，

但其系统特别复杂，难以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。（它们也是获得诺贝

尔物理学奖的研究成果，超流体中的无摩擦现象1962 年，超导中的库泊电子对无电阻现象

1972 年。）

碱性原子的玻色爱因斯坦冷凝态的实现

我们知道原子气体在低温时容易形成液体，利用碱性原子铷87Rb 和钠23Na 可以避免液体

的形成。两种原子都具有整数的自旋量子数和弱的排斥力，实验中原子的速度只有几个毫米

/秒，这对应的温度为100 nK（1 nK =10 的-9 次方K）。这极低的温度是用激光冷却的办法

（1997 年的诺贝尔物理学奖成果）来达到的【2】。其基本原理是通过原子与光子的动量交

换来达到冷却原子的目的，冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁，然后在囚

禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度，即把热的原子蒸发掉。在囚禁阱的边缘部

分，磁场很强，控制原子磁极的射频场的频率很高，通过逐渐的降低频率可以把温度高的原

子排出阱外，从而达到冷却的目的。道理就象茶在茶杯中变凉一样。在磁-光囚禁阱中原子

是靠偶极磁场力来约束的，如果原子的磁极发生反转，就会使吸引力变为排斥力，因此需要

用射频场来控制原子磁极的反转。但是在囚禁阱的中心电磁场为零，这就不能控制原子自旋

态（磁极）的变化。为此，埃里克·康奈尔采用旋转磁场装置使原子始终不能达到磁场为零

的位置，以达到控制原子自旋态的的目的【3】，从而在1995 年的6 月实现了87Rb 的玻色

爱因斯坦冷凝态。

JILA 研究组的铷原子玻色爱因斯坦冷凝态

科罗拉多大学JILA 研究组的实验结果显示，囚禁阱中排出的原子云形成玻色爱因斯坦

冷凝态的过程俯视图，左下图为侧视图。图形为吸收图，通过共振激光照射原子云而用CCD

摄取原子云的阴影（下同）。第一个图为玻色爱因斯坦冷凝态形成之前，第二个图为玻色爱

因斯坦冷凝态形成之中，背景为热运动，第三个图为几乎所有的原子都形成了玻色爱因斯坦

冷凝态，热运动背景为球形对称的。右边的图形显示随着温度的降低，更多的原子蒸发了。

实验图是通过从囚禁阱中排出原子云后利用共振光的阴影形成的，形成图形的大小取决于原

子从囚禁阱中排出时动量的大小，实验中热运动背景为球形对称的，而玻色爱因斯坦冷凝态

的峰图反映了代表动量的波函数是不对称的，这和当前的玻色爱因斯坦冷凝态理论是一致

的。

因为实验是破坏性的，因此就要求有很好的可重复性。MIT 的沃尔夫冈·克特勒从1990

年开始也在沿着上述方法用钠原子来独立的做此研究，所不同的是，他采用强激光束来阻止

原子进入囚禁阱中心磁场为零的区域【4】。沃尔夫冈·克特勒的实验成功仅落后于卡尔·维

曼和埃里克·康奈尔几个月的时间，而且实验结果相当的精彩，形成玻色爱因斯坦冷凝态的

原子数要高出2 个量级，如图3 所示，这为研究玻色爱因斯坦冷凝态的物理性质提供了更大

的可能性。左图为随着温度的降低玻色爱因斯坦冷凝态的密度增长过程，图形宽度为1.0mm，

冷凝态中的原子数为7×10 的5 次方。右图为玻色爱因斯坦冷凝态形成过程中密度变化数据，

为了清楚，上面的四条曲线是从下面移上去的。

MIT 研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态

两个研究小组的实验都很好的证实了理论上对囚禁冷凝态基本性质的计算。JILA 研究组通

过冷却两部分样品的其中之一，然后通过它与另外的样品进行碰撞而达到冷却的目的，从而

形成了两部分冷凝态，用实验证实了理论预言现象。MIT 小组的非共振光成像方法实现了冷

凝态的无损坏探测，可以对冷凝态与时间的关系进行直接的动力学观测。

玻色爱因斯坦冷凝态间的干涉现象

相位关联是玻色爱因斯坦冷凝态的一个重要的物理性质，MIT 小组通过把冷凝态分为两部分

而观察到了它们之间的干涉图样,证明了相位关联现象的存在。

MIT 研究组的纳原子玻色爱因斯坦冷凝态的干涉现象

在两部分冷凝态之间的干涉实验中，用激光束对原子的排斥力将冷凝态分为两部分，冷凝态

被分为两部分之后被排出阱外在引力场中自由下落，40 毫秒之后，两部分相位相关的原子

云在下落过程中互相扩大到一起，因为它们之间的相位是一致的，故在原子云叠加的区域出

现了干涉现象。图中的干涉图是激光吸收图，图形宽度为1.1 毫米，干涉图形的条纹间距为

15 微米，这对应着非常大的物质波长，常温下的原子德布洛意波长只有0.05 纳米，小于原

子的尺度。因此这是一个重要的冷凝 态相位相关现象。

原子激光"的实现

为了利用相位一致的原子云，就必须把它排出阱外而不损坏它的量子力学性质，MIT 研究小

组在实验上实现了这一目的【5】。从冷凝态中可以得到原子脉冲，因为冷凝态的相位一致

性，这些从冷凝态出来的原子脉冲仍然保持此特性，就象从激光器中发出的光子一样，因此，

这种现象称为"原子激光"， "原子激光"就是能够产生大量相位一致的原子束，像激光中的

光子束一样。大量的相位一致的原子在囚禁阱中产生（玻色爱因斯坦冷凝态），然后通过输

出装置把原子束从阱中排出。

"原子激光"

JILA 研究组还研究了冷凝态涡流的形成和集体激发等方面的物理特性，MIT 研究组还进一步

发展了冷凝态的无损坏成像技术使得多次测量成为可能；观测到了对冷凝态特性有重要影响

的原子间作用力的磁场依赖性；另外还观测到了"原子激光"有与普通激光相似的增益现象。

标记注释:

【1】. Dallin S.Durfee and W.Ketterle, Optics Express Vol. 2, 299(1998)

【2】. C. Monroe, W. Swann, H. Robinson and C. Wieman, Phys. Rev. Lett. 65, 1571(1990)

【3】. W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett.

74,3352 (1995)

【4】. K. B. Davis, M.-O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D. S. Durfee, D.

M.Kurn and W. Ketterle, Phys. Rev. Lett. 75, 3969 (1995)

【5】. M.-O. Mewes, M. R. Andrews, D.-M. Kurn, D. S. Durfee, C. G. Townsend and

W.Ketterle, Phys. Rev. Lett. 78, 582 (1997)

另外:

JILA 是天体物理实验室联合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics）的

缩写，是美国标准技术局与科罗拉多大学的联合研究所；MIT 为美国麻省理工学院。