1.玻色爱因斯坦冷凝态
2001年诺贝尔物理学奖获得者为美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔教授、麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒教授和科罗拉多大学的卡尔·维曼教授。他们研究的是稀薄碱性原子气体的玻色-爱因斯坦冷凝态及其冷凝物早期的基础理论工作。
图1玻爱冷凝态(从上而下为a,b,c,d）
常温下的气体原子行为就象台球一样，原子之间及其与器壁的互相碰撞遵从经典力学定律（图1a）；低温状态下的原子运动遵从量子力学定律，由德布洛意波来描述其运动，此时的德布洛意波波长λ小于原子之间的距离（图1b），运动状态由自旋量子数决定。我们知道，自旋量子数为整数的粒子属于玻色子，而自旋量子数为半整数的粒子是费米子。玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子态(基态)；费米子具有互相排斥的特性，它们不能占据同一量子态，而是尽量占据能量较低的位置（原子中的电子就是典型的费米子）。
1924年，玻色和爱因斯坦从理论上预言，当温度足够低、原子运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态，所有原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。按照德布洛意关系λ=h/p，粒子的运动速度越慢（温度越低），其物质波的波长就越长。当温度足够低时，原子的德布洛意波长与原子之间的距离在同一量级，这时物质波之间通过相互作用达到完全相同的状态，其性质由一个原子的波函数描述（图1c）；当温度为绝对零度时，热运动现象消失，原子处于理想的玻色-爱因斯坦冷凝态（图1d）。
玻爱冷凝态提出70年之后，1995年，实验室利用碱性原子形成了冷凝态。由于它是一种纯粹的玻爱冷凝态，因而可以对玻色-爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。以往的物理研究也部分地实现了玻爱冷凝聚（例如超导中的库泊电子对无电阻现象，超流体中的无摩擦现象），但其系统特别复杂，难以对玻爱冷凝态现象进行充分的研究。
2.碱性原子冷凝态的实现
原子气体在低温时容易形成液体，利用碱性原子铷87Rb或钠23Na则可避免液体的形成。这两种原子都具有整数自旋量子数和弱的排斥力，实验中原子的速度只有几个毫米每秒，相对应的温度为100nK（1nK=10-9K）。这种极低温度要用激光冷却办法来达到，其原理是通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目的。冷却后的原子由磁场与激光组成的磁-光囚禁阱囚禁，然后在囚禁阱中继续用蒸发冷却的办法达到所需要的温度（把热的原子蒸发掉）。在囚禁阱的边缘部分，磁场很强，控制原子磁极的射频场的频率很高，要通过逐渐降低频率来把温度高的原子排出阱外，从而达到冷却的目的（如同茶在茶杯中变凉一样）。在磁-光囚禁阱中原子靠偶极磁场力来约束，如果原子的磁极发生反转，就会使吸引力变为排斥力，因此需要用射频场来控制原子磁极的反转。但是，囚禁阱中心的电磁场力为零，这就不能控制原子自旋态（磁极）的变化。为此，康奈尔采用旋转磁场装置使原子始终不处于磁场为零的位置，以达到控制原子自旋态的目的。1995年的6月，他们终于实现了87Rb的玻色-爱因斯坦冷凝态。
图2 JILA的铷原子玻色爱因斯坦冷凝态
科罗拉多大学JILA研究组的实验结果如图2所示。从囚禁阱中排出的原子云形成玻色-爱因斯坦冷凝态，通过共振激光照射形成共振吸收态的原子云，釆用图像传感器（CCD）摄取原子云的阴影。左上图为过程俯视图，左下图为侧视图。第一个图为玻爱冷凝态形成之前，第二个图为玻爱冷凝态形成之中，背景为热运动，第三图显示所有原子都形成了玻爱冷凝态，热运动背景呈球形对称。右图代表温度降低过程中逐步使更多的原子被蒸发。
实验图是通过从囚禁阱中排出原子云后利用共振光的阴影形成的，图形的大小取决于原子从囚禁阱中排出时动量的大小。实验中的热运动背景为球形对称，摄取的峰图反映了代表动量的波函数是不对称的，这与当前关于玻色-爱因斯坦冷凝态的理论是一致的。由于实验是破坏性的，这就要求实验有很好的可重复性。MIT的克特勒从1990年开始一直在沿着上述方法用钠原子做此研究，现在所不同的是，他采用强激光束来阻止原子进入囚禁阱中心磁场为零的区域。克特勒的实验比维曼和康奈尔的迟几个月完成，但实验结果相当精彩，形成玻爱冷凝态的原子数要高出2个量级（如图3），这为研究玻色-爱因斯坦冷凝态的物理性质提供了更大的可能性。图3左为随温度降低时玻爱冷凝态的原子密度增长过程，图形宽度为1.0mm，冷凝态中的原子数为7×105。右图为玻爱冷凝态形成过程中的密度变化数据，为了清楚，上面的四条曲线是从下面移上去的。
两个研究小组的实验都很好的证实了理论上对囚禁冷凝态基本性质的计算。JILA研究组通过冷却两部分样品的其中之一，然后通过它与另外的样品进行碰撞而达到冷却的目的，从而形成了两部分冷凝态，用实验证实了理论预言现象。MIT小组的非共振光成像方法实现了冷凝态的无损坏探测，可以对冷凝态与时间的关系进行直接的动力学观测。
3.玻色爱因斯坦冷凝态间的干涉现象
相位关联是玻爱冷凝态的一个重要物理性质，MIT小组通过把冷凝态分为两部分而观察到了它们之间的干涉图样，证明了相位关联现象的存在。实验结果如图4所示。
图4 MIT研究组的纳原子玻爱冷凝态的干涉现象
在两部分冷凝态之间的干涉实验中，用激光束对原子的排斥力将冷凝态分为两部分。冷凝态在分为两部分之后被排出囚禁阱，在阱外受引力场的作用而自由下落，40毫秒之后，两部分相位相关的原子云在下落过程中互相扩大到一起，表明它们之间的相位是一致的，在原子云叠加的区域出现了干涉现象。图中的干涉图是激光吸收图，图形宽度为1.1毫米，干涉图形的条纹间距为15微米，这对应着非常大的物质波长，而常温下的原子德布洛意波长只有0.05纳米，小于原子的尺度。因此这是一个重要的冷凝态相位相关现象。
4.“原子激光”的实现
为了利用相位一致的原子云，就必须把原子排出阱外而不损坏它的量子力学性质。在MIT研究小组在实验中，从冷凝态出来的原子相位一致，仍然保持了原子脉冲特性，就象从激光器中发出的光子一样，这种现象可以称为“原子激光”。“原子激光”就是能够产生大量相位一致的原子束，像激光中的光子束一样。大量的相位一致的原子在囚禁阱中产生（玻爱冷凝态），然后通过输出装置把原子束从阱中排出的实验现象如图4所示，左图为俯视图，显示冷凝态原子由电磁脉冲排出阱外后是如何以脉冲的形式发射的，它们在引力场中自由下落并渐渐的扩大；右图为另外一组原子脉冲的图样，这是玻爱冷凝态的“原子激光”所具有的实验现象，图形大小为1.8mm×3.9mm，每个原子脉冲中的原子数界于105～106个。
JILA研究组还研究了冷凝态涡流的形成和集体激发等方面的物理特性。MIT研究组还进一步发展了冷凝态的无损坏成像技术，使得多次测量成为可能；观测到了对冷凝态特性有重要影响的原子间作用力的磁场依赖性；另外还观测到了“原子激光”有与普通激光相似的增益现象。
注：JILA是天体物理实验室联合研究所（JointInstitute for Laboratory Astrophysics）的缩写，是美国标准技术局与科罗拉多大学的联合研究所；MIT为美国麻省理工学院。
链接：玻色-爱因斯坦凝聚
玻色-爱因斯坦凝聚（简称BEC）是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的“凝聚”与通常所说的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般指基态），常比喻为无数原子在“齐声歌唱”，好像是一个放大的玻色子行为，可以给我们理解微观世界带来什么。
实验表明，这一物相具有奇特性质，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。目前全世界已有数十个室验室实现了9种元素的BEC，主要是碱金属，还有氦、铬、镱等元素的原子。
1924年，印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子来满足每个光子的能量适合爱因斯坦光量子假设，也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设。这一光子理想气体的观点可以彻底解决普朗克黑体辐射半经验公式的某些矛盾。当玻色的论文被退稿后，他将论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手这一问题的研究，并于1924～1925年发表两篇文章，将玻色对光子（粒子数不守恒）的统计方法推广到原子（粒子数守恒），预言当这类原子的温度足够低时，会有相变：新的物质状态产生，所有原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚。
1938年，FritzLondon提出液氦（He4）超流在本质上是量子统计现象，也是一种凝聚行为，并计算出临界温度为3.2K。从此BEC开始受到重视，物理学家都希望能在实验上观察到这种物理现象。但由于找不到合适的实验体系和受到实验技术的限制，玻色-爱因斯坦凝聚的早期实验研究进展缓慢。
20世纪90年代以来，由于朱棣文等三位物理学家的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了可能。
1995年，美国JILA和MIT研究小组分别独立地在实验上观察到玻爱凝聚现象，引起了物理界的强烈反响。此后，有关BEC的研究迅速发展，如BEC中的相干性、约瑟夫森效应、涡旋、超冷费米原子气体等，其中有许多现象是爱因斯坦和玻色未曾想象过的，这引起诸多现代领域的物理学家对BEC的关注。
常温下的气体原子行为如同台球一样，原子之间以及与器壁之间的互相碰撞，其相互作用遵从经典力学定律；低温状态下的原子运动，其相互作用则遵从量子力学定律，其运动由自旋量子数来决定。
按照量子理论，自旋量子数为整数的粒子为玻色子，而自旋量子数为半整数的粒子为费米子。玻色子具有整体特性，在低温时集聚到能量最低的同一量子态（基态）；而费米子具有互相排斥的特性，它们不能占据同一量子态，因此其它的费米子就得占据能量较高的量子态（原子中的电子就是典型的费米子）。当温度足够低时，原子的运动速度减慢，都将集聚到能量最低的同一量子态，因而所有的原子就象一个原子一样，具有完全相同的物理性质。当温度为绝对零度时，热运动现象消失，原子处于理想的玻色-爱因斯坦冷凝态。
如果物质不断冷下去，一直冷到不能再冷下去，以致接近绝对零度。在这样的极低温下，所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态—玻色-爱因斯坦凝聚态。
然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。
玻爱凝聚态有很多奇特的性质：
这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。
玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。
原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。
玻爱凝聚态的原子表现出了光子一样的特性，正是利用这种特性。2001年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。
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