中国科学技术大学：《正电子物理》课程教学讲稿（正电子在材料科学中的应用）13 Positronium Bose-Einstein Condensation

正电子概况XⅢ Positronium Bose-Einstein Condensation 叶邦角 核固体物理研究室 Laboratory of Nuclear Solid State Physics,USTC PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

Positronium Bose-Einstein Condensation 叶邦角 核固体物理研究室 Laboratory of Nuclear Solid State Physics, USTC 正电子概况XIII PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

Positron Science Fundamental Research Applied Research Experimental Techniques Mirror Symmetry Methods Sour ce/be Tecniques Metal and Dark Matter PAL Rad Very Fast Semicondu time QED Test CDE Very High Porous Mat Energy Res. ACA Ps Condensation Micr Very High Low-k Mate PAE Counts Ps Free Gravity Fall Puls Very Short Nano-Mate AMO lifetime Anti-Matter Energy LEP Very Low Quantum Temperature REPL Polyme PRS PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

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内容提要 ●什么是BEC ●什么是Positronium BEC ●Positronium BEC状况和发展 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

内容提要 l什么是BEC l什么是Positronium BEC lPositronium BEC状况和发展 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

一、什么是BEC PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

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玻色一爱因斯坦凝聚 BEC 1924年印度物理学玻色提出黑体辐射是光子理想气体的 观点，研究了“光子在各能级上的分布”问题，以不同于普朗 克的方式推导出普朗克黑体辐射公式 爱因斯坦将其观点和方法推广到某一类原子，预言当这 类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽 可能低的能量状态 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

—— 1924年印度物理学玻色提出黑体辐射是光子理想气体的 观点，研究了“光子在各能级上的分布”问题，以不同于普朗 克的方式推导出普朗克黑体辐射公式 —— 爱因斯坦将其观点和方法推广到某一类原子，预言当这 类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽 可能低的能量状态 玻色 — 爱因斯坦凝聚 —— BEC PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

在很长一段时间里，没有任何物理系统被认为与玻色 爱因斯坦凝聚现象有关。 1938年，伦敦提出低温下液氨的超流现象可能是氨原子 擎拿叠舰效，荧名一受运崭省蒙家子文意物通 在20世纪50年代，物理学家发展了很多弱相互作用玻色 系统的理论，美籍华人物理学家杨振宁、李政道和黄克 逊在这方面做了很出色的工作。然而这些理论在1995年 餐 前都没有得到很好的验证。由于气体中原子之间的相 更接近子爱因斯坦提出这一概念的系统， 同时也使得理论与实验的比较变得容易。，在气体中实现 玻色一爱因斯坦凝窠成为物理辛家长期的梦想。 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

l 在很长一段时间里，没有任何物理系统被认为与玻色－ 爱因斯坦凝聚现象有关。 l 1938年，伦敦提出低温下液氦的超流现象可能是氦原子 玻色凝聚的体现，玻色－爱因斯坦凝聚才真正引起物理 学界的重视。 l 在20世纪50年代，物理学家发展了很多弱相互作用玻色 系统的理论，美籍华人物理学家杨振宁、李政道和黄克 逊在这方面做了很出色的工作。然而这些理论在1995年 之前都没有得到很好的验证。由于气体中原子之间的相 互作用很弱，更接近于爱因斯坦提出这一概念的系统， 同时也使得理论与实验的比较变得容易。在气体中实现 玻色－爱因斯坦凝聚成为物理学家长期的梦想。 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

由于激光冷却技术的发展，20世纪80年代初物理学 家开始了在气体中实现玻色一爱因斯坦凝聚的尝试。 ● 1995年6月威依迈和科纳尔的研究组在铷(87Rb) 原子蒸气中第一次直接观测到玻色一爱因斯坦凝聚 他们先在磁光阱中对原子进行微光冷却，然后将原 子 转移到磁阱中进行蒸发冷却以达到玻色一爱因斯坦 淾所需的低温。由宇磁阱的特点，原子很容易从中心 逃出，科纳尔发展了二套看效的方法堵往了原子出逃 的漏洞，最终他行将温度降到170长，苁而观测到 了 玻色一 爱因斯坦凝聚现象。 几个月后麻省理工学院的沃尔夫冈. 凯特纳研究组在 钠(23Na)原子蒸气中实现了我色 一爱因斯坦凝 聚。他们采用了类似的技术路线，只是为防止原子从 磁阱中心逃出使用了不同的方法。 目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现 了玻色一爱因斯坦凝聚。 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

l 由于激光冷却技术的发展，20世纪80年代初物理学 家开始了在气体中实现玻色－爱因斯坦凝聚的尝试。 l 1995年6月威依迈和科纳尔的研究组在铷（87Rb） 原子蒸气中第一次直接观测到玻色－爱因斯坦凝聚。 他们先在磁光阱中对原子进行激光冷却，然后将原子 转移到磁阱中进行蒸发冷却以达到玻色－爱因斯坦凝 聚所需的低温。由于磁阱的特点，原子很容易从中心 逃出，科纳尔发展了一套有效的方法堵住了原子出逃 的漏洞，最终他们将温度降到170nK，从而观测到了 玻色一爱因斯坦凝聚现象。 l 几个月后麻省理工学院的沃尔夫冈．凯特纳研究组在 钠（23Na）原子蒸气中实现了玻色一爱因斯坦凝 聚。他们采用了类似的技术路线，只是为防止原子从 磁阱中心逃出使用了不同的方法。 l 目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现 了玻色－爱因斯坦凝聚。 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

The Nobel Prize in Physics 1989 "for the development of the ion trap technique" Hans Dehmelt Wolfgang Paul University of Washington Universitat Bonn USA Germany PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

The Nobel Prize in Physics 1989 • "for the development of the ion trap technique" Hans Dehmelt University of Washington USA Wolfgang Paul Universität Bonn Germany PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

The Nobel Prize in Physics 1997 。 for development of methods to cool and trap atoms with laser light" Steven Chu Stanford University Claude Cohen-Tannoudji William D.Phillips Stanford,CA,USA College de France;Paris,France NIST Gaithersburg,MD,USA PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

The Nobel Prize in Physics 1997 • for development of methods to cool and trap atoms with laser light" • Steven Chu Stanford University Stanford, CA, USA Claude Cohen-Tannoudji Collège de France; Paris, France William D. Phillips NIST Gaithersburg, MD, USA PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

The Nobel Prize in Physics 2001 t Bau Eric A.Cornell Wolfgang Ketterle Carl E.Wieman JILA NIST, JILA University Boulder, MIT of Colorado, Colorado. Boulder. 1957- 1961- 1951- PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com

The Nobel Prize in Physics 2001 Eric A. Cornell JILA & NIST, Boulder, Colorado. 1961- Wolfgang Ketterle MIT 1957- Carl E. Wieman JILA & University of Colorado, Boulder. 1951- PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com