超冷费米原子气中超流发生的确凿证据

最近，恰好在玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）实现10年之后，美国麻省理工-哈佛超冷原子研究中心的Zwierlein等（由Ketterle W领导的小组）首次在超冷^6 Li费米原子气中看到了超流的确凿证据——由涡旋构成的Abrikosov晶格（这类品格，此前已经在旋转的BEC中和超导体中被观察）．这一进展被认为是继BEC之后的又一重大进展．     

超冷费米原子气的状态方程

理解强相互作用粒子系统的行为是当今凝聚态物理学家所面临的挑战之一.中子星是一类典型的量子多体系统.当中子间的相互作用达到量子力学允许的最大的有效值时,其中所有的物质将共享同样的热力学特性;这样的状态被称为单一性极限(unitary limit).许多理论物理学家认为,6Li超冷费米原子气是研究原子间强相互作用的极佳对象.     

超冷费米原子气——40K

1995年 ,在美国科罗拉多州“实验室天体物理联合研究所”(简称ＪＩＬＡ)的科学家 ,对87Ｒｂ原子气 ,首次实现了玻色 -爱因斯坦凝聚 (ＢＥＣ)之后 ,ＢＥＣ实验又陆续在7Ｌｉ、2 3Ｎａ和1Ｈ等系统中获得成功 .在ＢＥＣ凝聚体中 ,超冷原子被锁定到单一量子态 ,从而使量子力学法则在宏观世界中得到了展示 .然而 ,上述进展仅仅是量子凝聚故事的一半 .如所周知 ,中性碱金属原子还有另外一半 ,即费米原子———6 Ｌｉ和4 0 Ｋ等 .它们在极低温条件下的行为将会怎样呢 ?最近 ,同是来自美国科罗拉多ＪＩＬＡ的物理学家Ｄ .Ｓ .Ｊｉｎ和她的研究生Ｂ .…     

从费米原子到配对超冷分子

自从1995年以来，实验物理学家已经在一系列玻色原子气系统中实现了玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)，它们是^1H，^7Li，^23Na，^85Rb和^87Rb等等，这些玻色原子具有整数自旋量子数，与玻色原子相对应的是费米原子，它们具有半整数的自旋值，例如^40K。即使在非常接近绝对零度的低温下，费米原子气也不可能凝聚到单一量子态：每一个费米原子所     

超冷费米原子气体的超流动性

最近美国MIT的Ketterle W教授和他的同事们对超冷费米原子气体具有超流动性作出了实验论证，他们观察到在锂-6原子气体形成玻色-爱因斯坦凝结时会出现涡流运动，涡流呈现出持久的无摩擦的流动特性．Ketterle研究组用激光束将冷冻的原子固定在各自的位置上，然后再分离出若干激光光束来激发出涡流．通常玻色原子与费米原子在低温下的量子行为是很不相同的．     

超流费米气体相滑移时的密度分布

当前在冷原子和玻色爱因斯坦凝聚(BEC)领域的一个重要问题是在Feshbach共振附近的冷费米气体如何从BEC态演变到BCS(Bardeen Schrieffer Cooper)态.本文进一步研究在Feshbach共振附近超流态的相滑移现象.通过具体的数值计算，给出了费米气体在相滑移时的粒子数密度的分布，并对不同温度下的相滑移的大小进行了分析.结果表明，相滑移现象可以作为实验上判断系统是否处于超流态的一个可行的判据. 关键词： 超流费米气体 相滑移 Feshbach共振     

超流^4He膜K—T相变温度附近热导率的实验研究

我们测量了吸附在聚脂薄膜上的超流 He 膜在 K-T 相变临界温度 T_c 附近的热导率,发现热导率在 K-T 相变温度 T_c 处发生突变,并由此得到在 T_c 左、右的关联长度的变化ξ~+/ξ~-=40.     

费米6Li冷原子装载动力学的研究

我们用简单的系统实现了6 Li费米原子的冷却及俘获,研究了磁光阱中冷原子的装载动力学.由于其质量小和反冲动量大等特点,装载、冷却及俘获过程和其他的碱金属原子具有极大的不同.我们测量了装载率、单体碰撞损失率和原子数与温度的关系.基于气体动能和原子碰撞散射的理论计算来解释实验的测量结果.实现的长寿命6Li冷原子对将来研究超冷费米原子的量子简并及其强相互作用具有重要的意义.     

超流涡旋

 当冰冷的液氦温度低于2.172K时,会产生一种奇特的效应;此时,它变成超流体,处于超流态下的液氦在流动时是没有摩擦力的。当将液氦置于仅有几个原子厚的氦薄膜上而此薄膜又被置于固态氢表面的顶部之上时,液氦的超流图景会变得更加复杂。     

原子吸收成像的二维光学密度分布获得量子简并费米气体参数

从费米原子俘获在谐振势中出发,采用托马斯-费米的半经典近似(Thomas-Fermi approximation),计算了自旋极化费米子的空间分布函数,对费米原子吸收成像的光学密度分布进行拟合,分析得到粒子数,费米温度和实际温度。采用这种方法,对实验中获得的~(40)K费米原子吸收成像的光学密度分布进行拟合,得到了费米气体量子简并参数T/T_F。     

BCS-BEC渡越过程中超流费米气体Efimovian膨胀的研究

基于耦合流体力学方程组,分别研究了各向同性和各向异性轴对称势阱下Bardeen-CooperSchrieffer–Bose-Einstein condensate(BCS-BEC)渡越过程中超流费米气体的Efimovian膨胀.当费米气体处于幺正极限,体系标度不变,气体膨胀尺寸展现出一系列平台结构,气体的演化由对数周期函数描述;当费米气体处于非幺正极限超流区域,体系标度不变性破缺,气体的演化偏离对数周期变化;另外我们还发现对于各向异性的费米气体,即使处于幺正极限,谐振子势的各向异性也会导致体系标度不变性破缺.     

费米原子对的玻色-爱因斯坦凝聚(续)

费米原子组成的分子BEC之发现被认为是冷量子气体研究的一个里程碑．除本身的意义外，它还被作为向对凝聚超流体研究进军的桥头堡。     

用于成像超冷费米原子气的量子显微镜

为捕获于光阱中的冷原子拍照,需要配合使用一个快速“闪光”,将它们照亮。而不幸的是,闪光会使冷原子热起来,并将它们从光阱逐出。两个新实验绕过了这个问题,通过使用一组激光光束,在冷却原子的同时,成功地拍摄到一个个冷原子的空间占位。这类量子气显微镜用于成像费米冷原子,尚属首次。新实验为使用冷原子模拟强关联系统中的电子提供了机会,例如模拟高温超导体和超巨磁电阻材料。在过去的几年里,研究人员已经对光学晶格中的玻色原子实现了量子气显微镜成像。使用光频饴(光学粘胶)和其他技术, 在成像过程中保持原子气冷却。与玻色原子相比,费米原子不容易“上像”。这主要是因为,作为费米原子,如锂-6和钾-40,它们更难被冷却。但现在,两个研究组已经成功地摄取了冷费米原子的图像：Zwierlein和他在麻省理工学院的同事展示了他们针对钾原子气的成像技术;而哈佛大学的Greiner等则是完成了对锂原子的成像。     

超冷费米气体研究的新进展

近几年,人们在超冷费米气体的实验和理论研究方面取得了一系列激动人心的进展,比如分子玻色—爱因斯坦凝聚的成功实现和BCS-BEC渡越过程的大量研究。在本文中,我们对超冷费米气体中的这些进展进行了介绍,并讨论了今后几年的发展趋势。     

超冷费米气体研究的新进展

近几年,人们在超冷费米气体的实验和理论研究方面取得了一系列激动人心的进展,比如分子玻色—爱因斯坦凝聚的成功实现和BCS-BEC渡越过程的大量研究。在本文中,我们对超冷费米气体中的这些进展进行了介绍,并讨论了今后几年的发展趋势。     

压强对二元溶液相变、费米共振的影响——二元溶液与纯液体压强效应比较

分别测量了CCl4和C6H6二元溶液和纯液体在不同压强下(0～11GPa)的拉曼光谱。结果表明二元溶液的压强效应明显不同于纯液体的压强效应:2种液体混合,由于体密度增加,分子间距离减小,分子间相互作用能增加,拉曼光谱线频移(兰移)速度增大,二元溶液频移速度大于纯液体的频移速度;谱线劈裂(相变)提前和固有频差Δ0随压强增加而加大;苯的ν1+ν6～ν8、四氯化碳的ν1+ν4～ν3费米共振消失压强减小;不同压缩系数的分子频移速度不同,密度较小的CCl4分子,化学键长,力常数小,压缩系数大,容易压缩。密度大的C6H6分子,化学键短,力常数大,压缩系数小,不易压缩。CCl4分子大多拉曼频移速度大于C6H6分子相近频率的频移速度。并对高压下分子谱线归属、认证有参考价值,对不同环境下的高压效应、分子间相互作用、溶剂效应等研究提供了方法和思路。     

超冷nS Rydberg原子的态转移

本文从实验上研究了超冷nS Rydberg原子在外电场脉冲作用下的态转移现象. 采用双光子激发超冷基态原子制备超冷Rydberg原子, 通过脉冲场电离法探测超冷Rydberg原子的离子信号, 实验研究了由外加脉冲电场产生的nS能级和多重态的避免交叉, 获得了在外电场脉冲作用下nS态原子的态转移现象, 实验与理论计算的结果相一致. 关键词： Rydberg原子 态转移 能级避免交叉     

由N-E-V分布及赝势法研究弱磁场中弱相互作用费米子气体的热力学性质

基于低温下量子系统的相关实验多是在体积、能量和粒子数都可变的外场束缚下进行的事实, 由体积、能量和粒子数可变的完全开放系统的统计分布(N-E-V分布)研究了弱磁场中弱相互作用费米系统的热力学性质. 首先求出了一般情况下由费米积分表示的内能和热容的解析表达式. 在此基础上, 又给出了在低温极限条件下内能与热容的解析表达式和数值计算结果, 并将N-E-V分布(粒子数密度变化)的结果与赝势法(粒子数密度不变)的结果进行了比较. 结果表明: N-E-V分布方法的计算结果总是补偿赝势法计算结果的过度偏差. 由N-E-V 分布方法所得结果最特异之处在于: 在低温条件下, 弱磁场中弱相互作用费米系统存在一相变温度t_c, 其正处于费米系统发生玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)和费米原子形成库珀对的超流状态(BCS)相变及BEC-BCS跨越的温度范围内, 且不随反映弱相互作用大小和特征的散射长度a (a<0引力, a>0斥力)变化, 但随弱磁场的加强而降低, 即弱磁场可调节该相变温度. 磁场为零时, 相变温度最高, 为费米温度的0.184倍.     

热核物质液气相变的临界温度和三体核力效应

通过引入微观三体核力, 扩展了有限温度Brueckner-Hartree-Fock方法. 利用这一扩展的理论模型, 研究了热核物质的状态方程和液气相变现象并计算了临界温度, 讨论了三体核力对液气相变临界点性质的影响并与Dirac-Brueckner-Hartree-Fock方法的理论预言进行了比较. 结果表明：三体核力对热核物质状态方程提供一个随密度和温度增大而增强的排斥贡献, 而且三体核力的排斥效应导致热核物质液气相变的临界温度明显降低.     

超冷费米气体的膨胀动力学研究新进展

多体系统的非平衡动力学演化是当前物理学中最具挑战性的问题之一.超冷量子费米原子气体具有较强的可控性,是研究多体非平衡动力学的理想系统,可以用来模拟和理解大爆炸后的早期宇宙、重离子碰撞中产生的夸克-胶子以及核物理等动力学.一般多体系统演化是非常复杂的,往往需要利用对称性来研究.利用Feshbach共振可以制备标度不变的费米原子气体:无相互作用和幺正费米量子气体.当远离平衡态时,可利用普适的指数和函数来刻画,其动力学可以通过对系统的时空演化进行标度变换来识别.本文主要介绍近年来强相互作用超冷费米气体的膨胀动力学研究进展,包括原子气体的各向异性展开、标度动力学和Efimovian膨胀动力学.