美國科羅拉多大學(xué)教授，埃里克·康奈爾（Eric A. Cornell，1961—）因在稀薄的堿金屬氣體中實(shí)現(xiàn)了玻色—愛因斯坦凝聚，以及在對這種凝聚物的特性進(jìn)行早期的基礎(chǔ)研究中所取得的杰出成就，與他的同伴、沃爾夫?qū)P特納（Wolfgang Ketterle，1957—）和卡爾·韋曼（Carl E. Wieman，1951—）共同分享了2001年度諾貝爾物理學(xué)獎。

簡介

埃里克·康奈爾（Eric A. Cornell，1961—）?、沃爾夫?qū)た颂乩眨╓olfgang Ketterle，1957—）和卡爾·韋曼（Carl E. Wieman，1951—）因在堿金屬原子稀釋氣體中（制成）玻色—愛因斯坦凝聚，以及在對這種凝聚物的特性進(jìn)行早期的基礎(chǔ)研究中所取得的杰出成就，共同分享了2001年度諾貝爾物理學(xué)獎。

發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)

2001年，美國科學(xué)家埃里克·康奈爾、卡爾·維曼和德國科學(xué)家沃爾夫?qū)P特納。他們根據(jù)玻色－愛因斯坦理論發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)狀態(tài)——“堿金屬原子稀薄氣體的玻色－愛因斯坦凝聚（BEC）”。

發(fā)表論文

1924年，年輕的印度學(xué)者玻色撰寫了一篇論文，用完全不同于經(jīng)典電動力學(xué)的統(tǒng)計方法，導(dǎo)出了普朗克黑體輻射公式。他將論文寄給著名物理學(xué)家愛因斯坦，期望得到后者認(rèn)同。愛因斯坦馬上認(rèn)識到該文的價值，立即將其譯成德文發(fā)表。隨后，愛因斯坦又將玻色的方法推廣應(yīng)用到單原子理想氣體，并預(yù)言這些原子當(dāng)它們之間的距離足夠近、熱運(yùn)動速度足夠慢時將會發(fā)生相變，變成一種新的物質(zhì)狀態(tài)——玻色—愛因斯坦凝聚。處在這種狀態(tài)的氣體原子，其總自旋一定為整數(shù)，即為玻色子。當(dāng)溫度足夠低時，這些原本各自獨(dú)立的氣體原子會變成一群“統(tǒng)一行動”的原子，即“凝聚”在一個相同的能量最低的量子態(tài)，形成一個新的宏觀物質(zhì)狀態(tài)。愛因斯坦的論文發(fā)表后，引起了物理學(xué)家的普遍關(guān)注。經(jīng)過70多年的努力，直到1995年，才由美國科羅拉多州博耳德實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（JILA）?的康奈爾和韋曼以及麻省理工學(xué)院（MIT）的克特勒先后在實(shí)驗(yàn)中真正獲得了玻色—愛因斯坦凝聚。

應(yīng)當(dāng)指出，要獲得玻色—愛因斯坦凝聚，就必須將單原子氣體冷卻到絕對零度之上一百億分之一攝氏度，這是十分困難的。大約在1990年，韋曼應(yīng)用朱棣文等人發(fā)展起來的激光冷卻和原子阱囚禁技術(shù)擬定了一個在堿原子中實(shí)現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)方案：先在磁光阱中用激光冷卻堿原子，然后再應(yīng)用射頻“蒸發(fā)”冷卻除掉在磁阱中那些速度快的原子以達(dá)到玻色—愛因斯坦凝聚所必需的低溫。美國JILA小組的康奈爾和韋曼采用上述方案使銣原子系統(tǒng)的溫度降低至170nK，并通過在樣品上加上足夠快的旋轉(zhuǎn)磁場來避免阱中心原子的丟失，終于在1995年6月成功地實(shí)現(xiàn)了銣原子的玻色—愛因斯坦凝聚。幾乎同時，美國MIT普里特查德（D.E.Pritchard）小組的克特勒用類似的方法實(shí)現(xiàn)了鈉原子的玻色—愛因斯坦凝聚。由于他通過聚焦在阱中心的強(qiáng)大激光束來阻止原子的丟失，得到了包含更多原子數(shù)的凝聚物，使得測量這些凝聚物的性質(zhì)成為可能。在這三位諾貝爾獎得主所做的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)之后，又有20多個研究小組獲得了玻色—愛因斯坦凝聚物。但是，在這個研究領(lǐng)域，這三位諾貝爾獎得主所在的研究小組始終保持著他們的領(lǐng)先地位。

科學(xué)意義

研究玻色—愛因斯坦凝聚不僅有重要的科學(xué)意義，而且在芯片技術(shù)、精密測量和納米技術(shù)等領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用前景。以芯片技術(shù)為例，目前的芯片都是利用普通光線的激光來完成集成電路的光刻，而普通光線的波長是有限度的，所以集成電路的密度已經(jīng)接近極限。如果利用堿金屬原子稀薄氣體的“玻色－愛因斯坦凝聚”來完成集成電路的光刻，將會大大提高集成電路的密度，從而大大提高電腦芯片的運(yùn)算速度。