玻色愛因斯坦凝態又稱玻色愛因斯坦凝聚態，簡稱玻愛凝聚態，是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣態的、超流性的物質狀態（物態） Table 24 page 43 。這種大量具有玻色統計性質的粒子，如同原子 凝聚 到同一狀態，稱為玻色愛因斯坦凝聚（BoseEinstein condensation，BEC）。 1995 年，麻省理工學院的沃夫岡凱特利與科羅拉多大學博爾德分校的埃裡克康奈爾和卡爾威曼使用氣態的銣原子在 170 nK（17 K）的低溫下首次獲得了玻色 愛因斯坦凝態。在這種狀態下，幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態，形成一個宏觀的量子狀態。 理論 所有原子的量子態都束聚於一個單一的量子態的狀態，稱為玻色凝聚或玻色 愛因斯坦凝聚。1920 年代，薩特延德拉納特玻色和阿爾伯特愛因斯坦以玻色關於光子的統計力學研究為基礎，對這個狀態做了預言。 2005 年 7 月 22 日，烏得勒支大學的學生羅迪玻因克在保羅埃倫費斯特的個人檔案中發現了 1924 年 12 月愛因斯坦手寫的原文的草稿。玻色和愛因斯坦的研究的結果是遵守玻色 愛因斯坦統計的玻色氣體。玻色 愛因斯坦統計是描寫玻色子的統計分佈的理論。玻色子，其中包括光子和氦 4 之類的原子，可以分享同一量子態。愛因斯坦推測將玻色子冷卻到非常低的溫度後它們會 落入（凝聚）到能量最低的可能量子態中，導致一種全新的相態。 一個單純的三維的氣體的臨界溫度為（氣體處在的外部勢能是恆定的）： T_cleft frac nzeta 32right23frac 2pi hbar2m k_B 其中： T_c 臨界溫度 n 粒子密度 m 每個玻色子的質量 hbar 約化普朗克常數（狄拉克常數） k_B 玻爾茲曼常數 zeta 黎曼 ζ 函式：zeta 32 26124 發現 1938 年，彼得卡皮查、約翰艾倫和發現氦 4 在降溫到 22 K 時會成為一種叫做超流體的新的液體狀態 F London Superfluids VolI and II reprinted New York Dover 1964。超流的氦有許多非常不尋常的特徵，比如它的黏度為零，其漩渦是量子化的。很快人們就認識到超液體的原因是玻色 愛因斯坦凝聚。事實上，康奈爾和威曼發現的氣態的玻色 愛因斯坦凝聚呈現出許多超流體的特性。 真正 的玻色 愛因斯坦凝聚最早是由康奈爾和威曼及其助手在實驗天體物理聯合研究所於 1995 年 6 月 5 日製造成功的。他們使用雷射冷卻和磁阱中的將約 2000 個稀薄的氣態的銣 87 原子的溫度降低到 170 nK 後獲得了玻色 愛因斯坦凝聚。四個月後，麻省理工學院的沃爾夫岡克特勒使用鈉 23 獨立地獲得了玻色 愛因斯坦凝聚。克特勒的凝聚較康奈爾和威曼的含有約 100 倍的原子，這樣他可以用他的凝聚獲得一些非常重要的結果，比如他可以觀測兩個不同凝聚之間的量子衍射。2001 年康奈爾、威曼和克特勒為他們的研究結果共享諾貝爾物理獎。 康奈爾、威曼和克特勒的結果引起了許多試驗專案。比如 2003 年 11 月因斯布魯克大學的、科羅拉多大學鮑爾德分校的德波拉金和克特勒製造了第一個分子構成的玻色 愛因斯坦凝聚。 與一般人們遇到的其它相態相比，玻色 愛因斯坦凝聚非常不穩定。玻色 愛因斯坦凝聚與外界世界的極其微小的相互作用足以使它們加熱到超出臨界溫度，分解為單一原子的狀態，因此在短期內不太有機會出現實際應用。 2016 年 5 月 17 日，來自澳大利亞新南威爾士大學和澳大利亞國立大學的研究團隊首次使用人工智慧製造出了玻色 愛因斯坦凝聚。人工智慧在此項實驗中的作用是調節要求苛刻的溫度和防止原子逃逸的雷射束。 2020 年 6 月 10 日，加州理工的研究人員在《自然期刊》發表報告，在國際太空站上執行的冷原子實驗室，呈現銣及鉀原子的玻色 愛因斯坦凝聚。在地球表面的實驗室，由於受引力影響，實驗的自由膨漲時間只有幾十毫秒。在無重狀態下，成功將時間延長至超過一秒。 用於降低光速 雖然玻色 愛因斯坦凝聚很難理解也很難製作，但它們也有許多非常有趣的特性。比如它們可以有異常高的光學密度差。一般來說凝聚的折射係數是非常小的因為它的密度比平常的固體要小得多。但使用雷射可以改變玻色 愛因斯坦凝聚的原子狀態，使它對一定的頻率的係數驟增。這樣光速在凝聚內的速度就會驟降，甚至降到每秒數米。 自轉的玻色 愛因斯坦凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光不會逃離。凝聚也可以用來 凍結 光，這樣被 凍結 的光在凝聚分解時又會被釋放出來。 參考 參考文獻 《超流體 》 美 沈星揚著 1982 北京：科學出版社 C J Pethick and H Smith BoseEinstein Condensation in Dilute Gases Cambridge University Press Cambridge 2001 Lev P Pitaevskii and S Stringari BoseEinstein Condensation Clarendon Press Oxford 2003 Mackie M Suominen KA Javanainen J Meanfield theory of Feshbachresonant interactions in 85Rb condensates Phys Rev Lett 2002 Oct 2889 18180403 參閱 盒中氣體 玻色氣體 外部連結 第一個玻色－愛因斯坦凝聚 1995 年 6 月 5 日 BoseEinstein Condensation 2009 Conference BoseEinstein Condensation 2009 Frontiers in Quantum Gases BEC Homepage General introduction to BoseEinstein condensation Nobel Prize in Physics 2001 for the achievement of BoseEinstein condensation in dilute gases of alkali atoms and for early fundamental studies of the properties of the condensates Physics Today Cornell Ketterle and Wieman Share Nobel Prize for BoseEinstein Condensates BoseEinstein Condensates at JILA Atomcool at Rice University The BoseEinstein Condensate at Utrecht University the Netherlands Alkali Quantum Gases at MIT Atom Optics at UQ Einsteins manuscript on the BoseEinstein condensate discovered at Leiden University The revolution that has not stopped PhysicsWeb article from June 2005 BoseEinstein condensate on arxivorg Bosons The Birds That Flock and Sing Together Oxford Experimental BEC Group Cambridge University Cold Atoms Group Easy BEC machine information on constructing a BoseEinstein condensate machine Verging on absolute zero Cosmos Online Lecture by W Ketterle at MIT in 2001 BoseEinstein Condensation at NIST NIST resource on BEC Category 物質狀態 Category 量子力學 Category 低溫物理學 Category 奇特物質 Category 阿爾伯特愛因斯坦 Category 凝聚體物理學