玻色–愛因斯坦凝聚

玻色–愛因斯坦凝態（Bose-Einstein condensate）又稱玻色–愛因斯坦凝聚體，簡稱玻愛凝聚體，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）^[1]。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^[2]（Bose-Einstein 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里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態的銣原子在170 nK（1.7×10⁻⁷ 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^[3]。

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^[4]。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布的理論。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（氣體處在的外部位能是恆定的）：

T_{c}=\left({\frac {n}{\zeta (3/2)}}\right)^{2/3}{\frac {2\pi \hbar ^{2}}{mk_{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）
$k_{B}$		波耳茲曼常數
$\zeta$		黎曼ζ函數： $\zeta (3/2)$ ≈ 2.6124.

發現

1938年，彼得·卡皮查、約翰·艾倫和冬·麥色納（英語：Don Misener）發現氦-4在降溫到2.2 K時會成為一種叫做超流體的新的液體狀態^[5]^[6]。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蒸發冷卻（英語：Evaporative cooling (atomic physics)）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繞射。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^[7]^[8]。

康奈爾、威曼和克特勒的結果引起了許多試驗項目。比如2003年11月因斯布魯克大學的魯道爾夫·格里姆（英語：Rudolf Grimm）、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交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斯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。^[9]

2020年6月10日，加州理工的研究人員在《自然期刊》發表報告，在國際太空站上運行的冷原子實驗室，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，由於受重力影響，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。 ^[10]

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

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參考文獻

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參閱

外部連結

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Bose–Einstein Condensates at JILA （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
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The Bose–Einstein Condensate at Utrecht University, the Netherlands
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Einstein's manuscript on the Bose–Einstein condensate discovered at Leiden University （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
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閱論編物質狀態
狀態	固體液體氣體 / 蒸氣電漿
低能量	玻色–愛因斯坦凝聚費米凝聚簡併態物質量子霍爾效應芮得柏物質（英語：Rydberg matter）芮得柏極化子（英語：Rydberg polaron）奇異物質超流體超固體光子分子簡併態物質超金屬
高能量	夸克物質（英語：QCD matter） Lattice夸克（英語：Lattice QCD）夸克-膠子漿奇異物質超臨界流體色荷玻璃冷凝物（英語：Color-glass condensate）
其他物態	膠體晶體液晶無定形體玻璃時間晶體準晶體柔粘性結晶（英語：Plastic crystal）磁狀態反鐵磁性亞鐵磁性鐵磁性弦狀網液態超玻璃暗物質反物質
相變	沸騰沸點臨界線（英語：Critical line (thermodynamics)）臨界點結晶凝華蒸發閃蒸凝固 λ點熔化熔點復冰現象飽和流體昇華過冷三相點清晰點液晶化點二級相變
數量	熔化熱昇華熱汽化熱潛熱潛內能特魯頓規則揮發性
概念	雙結點（英語：Binodal）壓縮流體（英語：Compressed fluid）冷卻曲線‎ 狀態方程式萊頓弗羅斯特現象姆潘巴現象有序與無序（英語：Order and disorder (physics)）調幅分解（英語：Spinodal）超導現象過熱蒸汽過熱熱-介電質效應（英語：Thermo-dielectric effect）
列表	相態列表

閱論編阿爾伯特·愛因斯坦
貢獻	狹義相對論廣義相對論質能轉換公式（E=mc²）布朗運動光電效應愛因斯坦係數愛因斯坦模型等效原理愛因斯坦重力場方程式愛因斯坦張量愛因斯坦半徑（英語：Einstein radius）愛因斯坦關係宇宙學常數玻色–愛因斯坦凝聚玻色–愛因斯坦統計玻色–愛因斯坦相關（英語：Bose–Einstein correlations）愛因斯坦-嘉當理論愛因斯坦-英費爾德-霍夫曼方程式（英語：Einstein–Infeld–Hoffmann equations）愛因斯坦-德哈斯效應愛波羅弔詭波耳-愛因斯坦之爭遠距平行性（英語：Teleparallelism）愛因斯坦的思想實驗（英語：Einstein's thought experiments）愛因斯坦的失敗研究（英語：Einstein's unsuccessful investigations）波粒二象性重力波茶葉悖論愛因斯坦求和約定愛因斯坦同步法愛因斯坦-希爾伯特作用量
著作	《奇蹟年論文》（1905）《論動體的電動力學》（1905）《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動（英語：Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen）》（1905）《相對論入門:狹義和廣義相對論（英語：Relativity: The Special and the General Theory）》（1916）《相對論的意義》（1922）《我的世界觀（英語：The World as I See It (book)）》（1934）《物理之演進》（1938）《為什麼要社會主義？》（1949）《羅素—愛因斯坦宣言》（1955）
獎項	阿爾伯特·愛因斯坦獎阿爾伯特·愛因斯坦獎章卡林加獎（英語：Kalinga Prize）阿爾伯特·愛因斯坦和平獎阿爾伯特·愛因斯坦世界科學獎愛因斯坦雷射科學獎（英語：Einstein Prize for Laser Science）愛因斯坦獎 (美國物理學會)
家族	波琳·科赫（母親）赫爾曼·愛因斯坦（父親）瑪雅·愛因斯坦（英語：Maja Einstein）（妹妹）米列娃·馬利奇（第一任妻子）愛爾莎·愛因斯坦（第二任妻子及表姊）麗瑟爾·愛因斯坦（英語：Lieserl Einstein）（女兒）漢斯·愛因斯坦（兒子）愛德華·愛因斯坦（英語：Eduard Einstein）（兒子）伯恩哈德·凱撒·愛因斯坦（孫子）艾弗琳·愛因斯坦（養孫女）勞勃·愛因斯坦（英語：Murder of the family of Robert Einstein）（表弟）西格貝特·愛因斯坦（英語：Siegbert Einstein）（遠房親戚）
相關	獎章與榮譽愛因斯坦的大腦美國故居（英語：Albert Einstein House）雕像（英語：Albert Einstein Memorial）政治觀宗教觀以阿爾伯特·愛因斯坦命名的事物（英語：List of things named after Albert Einstein）阿爾伯特·愛因斯坦檔案館（英語：Albert Einstein Archives）阿爾伯特·愛因斯坦廣場愛因斯坦論文項目愛因斯坦冰箱（英語：Einstein refrigerator）瑞士故居（英語：Einsteinhaus）鑀馬克斯·塔爾梅（英語：Max Talmey）愛因斯坦黑板（英語：Einstein's Blackboard）愛因斯坦十字愛因斯坦水槽愛因斯坦望遠鏡阿爾伯特·愛因斯坦研究所愛因斯坦-西拉德信件愛因斯坦與中國大眾文化（英語：Albert Einstein in popular culture）《世紀天才》（第一季，2017）
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