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埃里克·康奈爾

標籤:高能物理

埃里克·康奈爾(Eric A. Cornell, 1961-)因在稀薄的鹼金屬氣體中實現了玻色-愛因斯坦凝聚,以及在對這種凝聚物的特性進行早期的基礎研究中所取得的傑出成就,與他的同伴 、沃爾夫岡·凱特納(Wolfgang Ketterle,1957-)和卡爾·韋曼(Carl E. Wieman, 1951-)共同分享了2001年度諾貝爾物理學獎。

1簡介

埃里克·康奈爾
埃里克·康奈爾(Eric A. Cornell, 1961-)沃爾夫岡·克特勒(Wolfgang Ketterle,1957-)卡爾·韋曼(Carl E. Wieman, 1951-)因在鹼金屬原子稀釋氣體中(製成)玻色-愛因斯坦凝聚,以及在對這種凝聚物的特性進行早期的基礎研究中所取得的傑出成就,共同分享了2001年度諾貝爾物理學獎。

2發現新物質

2001年,美國科學家埃里克·康奈爾、卡爾·維曼和德國科學家沃爾夫岡·凱特納。他們根據玻色-愛因斯坦理論發現了一種新的物質狀態——「鹼金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)」。

3發表論文

1924年,年輕的印度學者玻色撰寫了一篇論文,用完全不同於經典電動力學的統計方法,導出了普朗克黑體輻射公式。他將論文寄給著名物理學家愛因斯坦,期望得到後者認同。愛因斯坦馬上認識到該文的價值,立即將其譯成德文發表。隨後,愛因斯坦又將玻色的方法推廣應用到單原子理想氣體,並預言這些原子當它們之間的距離足夠近、熱運動速度足夠慢時將會發生相變,變成一種新的物質狀態——玻色-愛因斯坦凝聚。處在這種狀態的氣體原子,其總自旋一定為整數,即為玻色子。當溫度足夠低時,這些原本各自獨立的氣體原子會變成一群「統一行動」的原子,即「凝聚」在一個相同的能量最低的量子態,形成一個新的宏觀物質狀態。愛因斯坦的論文發表后,引起了物理學家的普遍關注。經過70多年的努力,直到1995年,才由美國科羅拉多州博耳德實驗天體物理聯合研究所(JILA)的康奈爾和韋曼以及麻省理工學院(MIT)的克特勒先後在實驗中真正獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。
應當指出,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,韋曼應用朱棣文等人發展起來的激光冷卻和原子阱囚禁技術擬定了一個在鹼原子中實現玻色-愛因斯坦凝聚的實驗方案:先在磁光阱中用激光冷卻鹼原子,然後再應用射頻「蒸發」冷卻除掉在磁阱中那些速度快的原子以達到玻色-愛因斯坦凝聚所必需的低溫。美國JILA小組的康奈爾和韋曼採用上述方案使銣原子系統的溫度降低至170nK,並通過在樣品上加上足夠快的旋轉磁場來避免阱中心原子的丟失,終於在1995年6月成功地實現了銣原子的玻色-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現了鈉原子的玻色-愛因斯坦凝聚。由於他通過聚焦在阱中心的強大激光束來阻止原子的丟失,得到了包含更多原子數的凝聚物,使得測量這些凝聚物的性質成為可能。在這三位諾貝爾獎得主所做的開創性實驗之後,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先地位。

4科學意義

研究玻色-愛因斯坦凝聚不僅有重要的科學意義,而且在晶元技術、精密測量和納米技術等領域也有非常廣泛的應用前景。以晶元技術為例,目前的晶元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接近極限。如果利用鹼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,從而大大提高電腦晶元的運算速度。

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