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诺贝尔获奖者:埃里克·康奈尔


  埃里克·康奈尔(EricA.Cornell,1961-)因在稀薄的碱金属气体中实现了玻色-爱因斯坦凝聚,以及在对这种凝聚物的特性进行早期的基础研究中所取得的杰出成就,与他的同伴、沃尔夫冈·凯特纳(WolfgangKetterle,1957-)和卡尔·韦曼(CarlE.Wieman,1951-)共同分享了2001年度诺贝尔物理学奖。
  2001年,美国科学家埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和德国科学家沃尔夫冈·凯特纳。他们根据玻色-爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)”。
  1924年,年轻的印度学者玻色撰写了一篇论文,用完全不同于经典电动力学的统计方法,导出了普朗克黑体辐射公式。他将论文寄给著名物理学家爱因斯坦,期望得到后者认同。爱因斯坦马上认识到该文的价值,立即将其译成德文发表。随后,爱因斯坦又将玻色的方法推广应用到单原子理想气体,并预言这些原子当它们之间的距离足够近、热运动速度足够慢时将会发生相变,变成一种新的物质状态——玻色-爱因斯坦凝聚。处在这种状态的气体原子,其总自旋一定为整数,即为玻色子。当温度足够低时,这些原本各自独立的气体原子会变成一群“统一行动”的原子,即“凝聚”在一个相同的能量最低的量子态,形成一个新的宏观物质状态。爱因斯坦的论文发表后,引起了物理学家的普遍关注。经过70多年的努力,直到1995年,才由美国科罗拉多州博耳德实验天体物理联合研究所(JILA)的康奈尔和韦曼以及麻省理工学院(MIT)的克特勒先后在实验中真正获得了玻色-爱因斯坦凝聚。
  应当指出,要获得玻色-爱因斯坦凝聚,就必须将单原子气体冷却到绝对零度之上一百亿分之一摄氏度,这是十分困难的。大约在1990年,韦曼应用朱棣文等人发展起来的激光冷却和原子阱囚禁技术拟定了一个在碱原子中实现玻色-爱因斯坦凝聚的实验方案:先在磁光阱中用激光冷却碱原子,然后再应用射频“蒸发”冷却除掉在磁阱中那些速度快的原子以达到玻色-爱因斯坦凝聚所必需的低温。美国JILA小组的康奈尔和韦曼采用上述方案使铷原子系统的温度降低至170nK,并通过在样品上加上足够快的旋转磁场来避免阱中心原子的丢失,终于在1995年6月成功地实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚。几乎同时,美国MIT普里特查德(D.E.Pritchard)小组的克特勒用类似的方法实现了钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚。由于他通过聚焦在阱中心的强大激光束来阻止原子的丢失,得到了包含更多原子数的凝聚物,使得测量这些凝聚物的性质成为可能。在这三位诺贝尔奖得主所做的开创性实验之后,又有20多个研究小组获得了玻色-爱因斯坦凝聚物。但是,在这个研究领域,这三位诺贝尔奖得主所在的研究小组始终保持着他们的领先地位。
  研究玻色-爱因斯坦凝聚不仅有重要的科学意义,而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域也有非常广泛的应用前景。以芯片技术为例,目前的芯片都是利用普通光线的激光来完成集成电路的光刻,而普通光线的波长是有限度的,所以集成电路的密度已经接近极限。如果利用碱金属原子稀薄气体的“玻色-爱因斯坦凝聚”来完成集成电路的光刻,将会大大提高集成电路的密度,从而大大提高电脑芯片的运算速度。

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