冷原子物理及其应用摘要二十多年前，人们通过物理实验方法获得了冷原子，今天超冷原子成为了多学科交叉的枢纽，超低温物理、超低密度凝聚态物理、超低能碰撞物理、非线性与量子原子光学、量子信息处理、 精密谱与量子频率标准等研究汇聚于此。本文章介绍了冷原子物理的相关研究及其意义。关键词冷原子物理，激光冷却，玻色- 爱因斯坦凝聚十多年来，一个新的研究领域——超冷原子物理学蓬勃发展起来。处于“超冷”状态的原子体系将遵从新的物理规律，其中特别有意义的是原子气体会出现玻色– 爱因斯坦凝聚现象（ BEC）。2001 年的诺贝尔物理奖就授予了在BEC 实验实现和性质研究方面做出重要贡献的英国科学家康奈尔、维曼和德国科学家克特勒。玻色– 爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯坦在 70 年前预言的一种新物态。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。本文介绍BEC的概念、形成条件和实现途径以及激光冷却中性原子的原理，并说明冷原子的一些相关应用。一、玻色－爱因斯坦凝聚及其实验研究简史1924年印度物理学家玻色研究了“光子在各能级上的分布”问题， 他以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。玻色将这一结果寄给爱因斯坦，请其翻译成德文并在德国发表。 爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。爱因斯坦于 1924和1925年发表了两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时， 所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是所谓的玻色－爱因斯坦凝聚 (Bose－Einstein Condensation ，BEC) ，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。从理论上讲， 处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故有人又称其为物质的第五态。玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色－爱因斯坦统计，而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。然而，并不是所有微观粒子都服从玻色－爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是1926年诞生的费米－狄拉克统计，这类粒子被统称为费米子。费米子不同于玻色子，它服从泡利不相容原理， 即两个费米子不能占据同一个态。利用这一点可以解释元素周期表。费米子之间相互排斥，这是一种量子压力，它在无任何外力时也存在。而玻色子的情况则相反，一...
