1、超冷氣體原子物理簡介文江進福 摘要本文簡介達到超低溫的新技術和新系統，並綜述超低溫下的各種嶄新物理現象。低溫物理向來是極重要的物理領域之一。1911年的超導和 1938 年 He 超流的發現，使溫度環境4進入到 1K 的範圍。1972 年 He 超流又將溫度3極限降低到 10 K。1980 年代朱棣文等學者發3明非常精巧的雷射捕捉及冷卻技術，可將氣體原子溫度降到 10 K 的程度，朱棣文等三位學者6因而獲得 1997 年諾貝爾物理獎。自此以後，冷卻技術又有許多新發展，目前是到了 10 K 的範9圍，可以說為物理學的環境作了一項革命性的改變！在這麼低溫下的物質行為，有許多新物理是過去不必想像的，
2、其學術價值和趣味性，當然很值得注意；例如結合雷射冷卻與磁光陷阱技術，1995 年首度達到 Bose-Einstein 凝結(BEC)，JILA 的 Cornell，Wieman 和 MIT 的 Ketterle 三人榮獲 2001 年諾貝爾物理獎。原來 Bose 及Einstein 於 1924-25 年預測若將理想 boson 氣體溫度降至極冷，以致其粒子物質波波長與粒子間的間隔相當，則粒子會大量聚集在最低能階之量子態。這個理論的驗證有特殊困難度，如果氣體密度較大，則碰撞效應亦大,在冷卻過程中，尚未到達 BEC 前就會因為熱平衡而凝結成凝體；如果氣體密度很小，則要達到極低的溫度，七、八十年未
3、來實驗上都無法實現，一直到雷射冷卻等技術出現才完成。BEC 的實現，已為物理學提供一個新的物質態，可用以進行各種前所未有的研究，涵蓋原子物理、量子光學、凝態物理的學者均大批投入，近年來，每期都有大量論文出現於重要期刊如Nature，Science，Physical Review Letters 等，先進國家都頗有投入，例如哈佛大學及 MIT 即聯合設立一個 Center for Ultracold Atoms 在進行研究。國內據個人了解，清華大學、成功大學及中正大學各有優秀學者從事實驗方面研究，理論方面，中研院，台師大，交大，彰師大也有相關學者。附帶一提的是目前我國科技發展政策及資源,瘋狂的投
4、在奈米工業(not physics),嚴重影響基礎科學的發展，作為物理學的工作者,個人只能祈禱有理想和志氣的青年學生仍然存在,能堅持基礎科學的研習，以免將來人才斷層的發生。Nature 雜誌於 2002 年 3 月 14 日出版”Ultracold matter”特輯，本文即據該輯中Anglin 和 Ketterle 的文章摘要譯介。在 BEC 實驗中，氣體密度約為空氣的十萬分之一，即10 10 cm ，溫度在 10 K 範圍。至於 BEC14537原子數目，Na 原子實驗達到三千萬個，氫原子到十兆個左右，其他原子的實驗也有僅數百個的，與磁陷阱的種類有關。至於 BEC 原子的大小在 10 m，
5、整個冷卻過程到達成 BEC 耗時數秒至數分鐘都有。世界上約有三十多個實驗室已宣佈達成 BEC,我國仍在努力中。圖一：BEC 晶片，利用蝕刻技術製成，系的黃金線形成磁陷阱，原子被捕捉在 C 及 C 位置。12一、 新技術與新系統2001 年喬治亞理工學院發表全光學式 BEC，這種原子陷阱利用 CO 雷射造成的光偶極陷阱，2原子的不同自旋態可以同時存在，與磁光陷阱中只有單一自旋態的狀況不同,（彰師大故黃文瑞教授及郭西川教授很早就從事這方面的研究） 。另外，德國和美國學者分別將原子陷阱製作在晶片上（如圖一）而達到 BEC，BEC 晶片可將感測推進到前所未有的靈敏度，並將量子流體製作在晶片上，這方面的
6、發展將會有實用的進展。另一項技術是利用原子在磁場下的 Feshbach 共振效應來改變散射長度，甚至改變原子間的相吸或相斥的性質。新系統方面，利用 boson 和 fermion 原子氣體的混合來冷卻 fermion，已成功的將 fermion 冷卻至費米溫度附近。再冷卻下去，fermion 可以形成 Cooper 對，變成超流，預料新的理論和實驗將會不斷出現。二、 超低密度之凝體物理由於 BEC 密度超低，因此原子間極微弱的作用，產生的效應就可以與一般凝體物理的效應相擬，例如相變，聲子，超流，Josephson 振盪,多分量 BEC 及光晶格等;已經開啟了一個新遠景,超冷氣體的凝體物理研究正
7、方興未艾。A、 原子交互作用從 BEC 實驗結果，可以了解陷阱中的原子間具有交互作用而非理想氣體。這種 Bose 氣體在 1940 和 1960 年代均有探討，Gross-pitaevskii 方程式描述巨觀的物質態，Bogoliubov 理論則描述其量子起伏；在低溫（非 0K）下的探討，提供了研究作用性多體物理的理想對象。B、 BEC 的長成原子氣體如何形成長距相干性及進入最低能階是一個有趣的過程，完整的理論必須涵蓋凝聚及激發兩部份。尤其可利用外加磁場來調變原子間的作用力，使這方面的研究非常有興趣（見圖二及說明） 。C、 激發與聲波理想氣體如果在 BEC 的密度和溫度狀況下，局部性的密度微擾
8、將因擴散而消失，除非擾動的範圍大過質點的平均自由路徑；但在BEC 中，同樣的密度擾動，由於散射將把原子激發到高能態所以產生的壓力可以支持密度波（第零聲） ，其波長將小於平均自由路徑。稍早對這類集體激發著重於振動的外型及衰減，最近較注重非線性現象。D、 稀薄氣體之超流超流是指物質流動時無阻力，液態氦的超流性於 1938 年發現，雖然 London 當時及把超流和 BEC 關聯起來，但實驗到數十年後才證實之；對於稀薄氣體則是先達成 BEC，過了好幾年後，才了解這一小團氣體的超流性。E、 多成分之 BEC將不同種類原子（boson、 fermion 都有）混在一齊冷卻至低溫，是許多目前正在進行的實驗
9、。相互混合程度，超流性質，BEC 結構，自旋，磁性等都非常有趣。F、 低維度 BEC低維度系統常常增加其量子特性,理想 bose氣體在一維系統不會凝聚，但在目前超冷氣體中，原子數目有限，原子間又有交互作用而非理想氣體，因此在低溫下之 BEC 有其物理意義。其臨界溫度，凝聚結構等等都是很值得研究的問題。G、 量子相變在雙能井中的 BEC，原子可能經由量子穿透效應而往來於雙井之間。當原子的斥力增加到抑制量子穿透效應時，兩個 BEC 將失去相位關係。Yale 大學研究者利用雷射光造成空間一維駐波（一維光晶格） ，各晶格內之 BEC可相互流動而形成干涉波形，如增加雷射強度致使晶格內之 BEC 不能流動
10、，然後突然撤除光晶格，則因各晶格之 BEC 已失去相位關係而不能形成干涉波形。德國研究者更用三維光晶格作出一個漂亮的實驗，當雷射強度較低時，BEC 在各晶格流動，形成超流相，加強雷射強度再撤除雷射，各 BEC 亦因相位互不關聯而不形成干涉波形。這種量子相變顯示物質從超流到 Mott 絕緣體的狀況。利用超冷原子來製造新的凝體環境才開始不久，預料許多新現象將陸續被發現。圖二：BEC 爆炸，調變外加磁場產生的Feshbach 共振，原子間的作用力突然變成相吸將會引起 BEC 崩潰，此一過程與超新星相似，過程中有些原子會噴出，但因系統住在磁光陷阱中，噴出的原子會形成一些小山丘。本文所介紹的主要是在 2000 年前後的發展，主要是在凝體物理的部分，在其他領域，原子分子物理，量子光學方面，在 Nature 這一特輯中另有專文介紹，由於篇幅關係，不能詳加說明，不過物質在超冷環境下的新物理將不斷被探索則是必然的。作者簡介江進福教授現任於交通大學物理研究所,研究方向在原子分子物理及多電子系統的理論計算方面。Email: tfjiangmail.nctu.edu.tw
