费米气体的研究进展及其应用展望
徐军;劳媚媚;陈如麒
【摘 要】随着玻色-爱因斯坦凝聚在超冷原子中的实现.超冷原子研究引起了人们的广泛兴趣,并取得了一系列重要的成果.本文介绍了超冷费米气体在理论和实验上取得的一些新进展,井对其未来的研究和应用进行了展望. 【期刊名称】《科技创新导报》 【年(卷),期】2009(000)006 【总页数】1页(P4-4)
【关键词】玻色-爱因斯坦凝聚凝聚;超冷费米气体;BEC-BCS渡越 【作 者】徐军;劳媚媚;陈如麒
【作者单位】华南农业大学公共基础课实验教学中心,广东,广州,510642;华南农业大学公共基础课实验教学中心,广东,广州,510642;华南农业大学公共基础课实验教学中心,广东,广州,510642 【正文语种】中 文 【中图分类】基础科学
2009N0.06S~ei eadTechnol09vInnovation Herald费 米 气 体 的研 究 进 展 及 其 应 用 展 望徐军 劳媚媚 陈如麒（华南农业大学公共基础课实验教学中心广东广州 5 10642 ）研 究 报 告摘要 ：随 着玻色 一 爱 因斯坦凝聚在超冷原子 中的实现，起冷原子研究 引起 了人们的广泛兴趣 ，并取得 了一 系列重要的成果 。本文介绍 了超冷 费米气体在理论和 实验上取得的一些新进展 ，并对其未来的研
究和应 用进行 了展望 。关键词 ：玻色 一 爱 因斯坦凝聚凝聚超冷费米 气体 BEC-BCS 渡越 中图分类号 ：0659文献标识码：A文章编号 ：1674-098X(2009)02(c)-0004-01 1 引言 玻 色和爱 因斯坦最先理论 预言 当原子间的距 离足够近 ，温度足够低时 ，理想Bose 原子 气体将 发 生 相变 ，导致一种新的物质 状 态 一 玻 色 一 爱 因 斯 坦 凝 聚态 (BECs) 。1995 年
E.A.Cornell.W.Ketterle 、 C.E.Wieman等三个小组首次实验观察到 稀薄 碱金 属的玻 色一 爱 因斯坦 凝聚 ， 由于 他们 实现 了气体碱金属原子的玻色一爱 因斯坦 凝聚以及对其基本性质 的先驱性研究工作 荣获 了2001 年诺 贝 尔物理学奖 ， 由此掀起 了人们对超冷原子研究 的热潮 。 在2003年底至2004 年初 ，超冷原子的研究又取得了惊人的突破性进展。对于束缚在 光阱中的两组分费米气体，结合改变原子间 散射长度的磁场Fehsbach 共振技术 ，在远低 于 费米温度的情况下实现 了分子玻色一爱 因斯坦凝聚。 随后 ，人们很快从实验上 实现 了原子
Cooper 对的凝聚体(BCS) ，从此开辟 了这一新的研究领域。 通过 改变磁场强度 ， 实现 了在BCS 超流体和分子BEC 间相互转 换，从而提供 了研究BCS-BEC 渡越过程 (BCS-BEC crossover) 的独特研究平台。 人们对Feshbach共振磁场附近超冷简并费米气体进行了一系列的研究，如BCS-BEC 间 转化的可逆过程 、 相互作用诱导绝热冷却费 米气及 反铁磁性 、 光学 品格 中的费米超流 、 不均衡费米气体中的相位分离等 。 因此 ，超 冷 简并费米 气体的研究进 展…已经成为 整 个自然科学 中最为瞩 目的进展之一。 2分子玻色 一 爱因斯坦凝聚 人们 对玻 色和 费米 气体进行 了大量的 研究 工 作 ， 发现在经典极限 下 ，费米 气体和 玻色气体 相似 ，这是 由于 相空 间密度远 小于 l ， 而 当相空 间密度变得可以与 l相 比时 ，量子性开 始显著 ，原子 气体将 出现简并 。 对 于理想玻 色子 ，原子将 凝 聚到 最低 的单粒 子态 ，形成玻色一爱 因斯坦凝聚 ，而对于 费 米子 ，原子将填充 费米海 ，遵循费米一狄拉 克统 计。 调节磁场 的大小使得散射长 度大 干零且 小于
原 子 之 间平均距 离 时 ， 费米原 子将 形成 分 子 ，并在低于 临 界温度时可 以 实现 了分子玻色一爱 因斯坦凝聚 ； 当散射 长度小于零且其绝对值小于原子之 间平均距离时 ，原子 间可以配对形成原子Cooper对 ， 并在低于临界温度 以 下形成BCS 超 流体 ， 此时原 子之 间的 配对应 考虑 多体相 互作用 的集体贡献 ，不再形成弱束缚的分子 ； 当散射长度小于零且其绝对值大于原子之 间平均 距 离时 ，原子之 间将具 有强 烈的 吸 引相互 作用 ，构成 强 关联费米 气体。Jin小组在1999 年利用40Kf{fJ 费米气体不 同的两个内态成功地将其冷却到 了费米温 度TF 的0.5 倍 IAndrew 等人把玻色子亿f和费 米子6Li两种不 同组分的稀薄气体同时冷却 到 量子 简并温度 ，从 实验 上给 出 了量子 简 并的有 力证据。 在国内实验的工作 中， 山西 大学于2007 年成功实现 了87Rb 和40K两种不 同组分 的碱金 属 气 体量 子 简并‘ 21 。磁场 的 Feshbach共振是实现两组分简并费米气体的一个有效方法 ，早在 1999 年 ，Ketterle 小 组在玻 色子23Na 实验 中首 先观察到 了磁场Feshbach共振 ， 目前 ，人 们也在费米原子 6Li 、40K 以及异核系统23Na-6Li 和87Rb 一 40K 中 观测到 了Feshbach 共振现象。2003 年底 ，Jin 小组在实验室实现碱金属费米子40K 的分子 玻色 一 爱 因 斯 坦 凝 聚 ， Grimm 小 组 和Ketterle 小组也利 用 费米 子6Li 的两种内部态混合气体也形成 了分子BEC ，随后Tho- mas 、 Salomo 、 Hulet 等小组也分别各 自实现了6Li 的分子BEC 。 3超冷费米凝聚气体在研究 超导物理 机 制 时 ， 人 们 发 现通 常的 电子库帕对的BCS 基态波 函数可以连 续 延拓 到玻 色一爱 因斯坦凝 聚 的情形 。 通 过磁场Feshbach共振可以 人为地改变不 同自旋态 的 费米原 子 间的散射长度 ，从而可 以在实验上研究BCS-BEC 渡越过程。 当散 射长度改变时 ，几乎所有实验都印证了BCS- BEC间的连续转 变过 程 。 在研究BEC- BCS渡越 区 ， 为 了得到 和实验相 一致 的结 论 ，人们提出了Fermi-Bose-Hubbard 模型 来描述。 为 了进一步证实BCS-BEC 渡越区 域 中强 关联 费米 气体 的超流为 ， 人 们 对强 关
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