物理學的新境界 (交大校訊 2002年四月一日)

Bose 與Einstein 於1924-5預測當 boson (自旋為整數的粒子)溫度逐漸降低，粒子物質的波的波長漸漸加長，再冷卻至波長超過粒子間隔距離時，整個系統開始出現集體行為，再繼續冷卻的話，全体粒子終將躍遷至最低能態，這種能量狀態的凝聚現象，一般稱為 Bose-Einstein Condensation (BEC); 如果粒子密度稍大，則在冷卻過程中，已形成液態或固態，無法達到BEC，密度小的話又必須降至極低溫，因此實驗上等了七十年仍無法達成。到了八十年代，朱棣文等學者發明出非常精巧的雷射捕捉及原子冷卻的技術，可將原子溫度降至~μK , 朱棣文等學者獲得1997諾貝爾物理獎。結合雷射與磁光陷阱技術，學者終於能控制原子氣體密度(約為空氣的十萬分之一)及溫度 (約為100nk) 而於1995年達成BEC實驗，JILA及MIT的三位年輕學者也於去年榮獲諾貝爾物理獎桂冠。

簡言之，BEC已為物理學造成一個新的物質態，可以進行各種前所未有的研究，包括原子分子物理、量子光學、凝態物理的學者都大規模的投入，自1995年起，每期有大量學術論文或報導出現於最重要刊物如Nature, Science, Physical Review Letters等，稍有學術水準的大學莫不積極發展，目前世界上約有三十個實驗室達到凝結，哈佛及MIT特別成立Center for Cold Atoms來推動相關研究，國內據個人了解清華、成大、中正各有一實驗室先後成立，研究均極佳，中正應可於數月內達到BEC。以下摘要簡介一些最新的發展，有興趣請參考今年三月十四日Nature 的專題。

1. 全光學式BEC：這種實驗利用雷射場造成的位能來陷住原子而不用磁光陷阱，由於不用磁場，因此原子超精細能態各分量可同時存在，Ketterle曾於１９９８年做過，後來並未繼續，去年喬治亞理工學院發表新實驗，目前有Duke, Berkeley等幾個大學在做，這方面的實驗和理論可說剛開始階段，非常值得投入。

2. BEC微晶片：德國學者於去年發表BEC的微晶片，最近MIT也發表了BEC的waveguide 及beamsplitter, BEC晶片可將感測推進到前所未有的靈敏度，並可將量子流體製做在晶片上。

3. 費米子的凝結：費米粒子必須遵守Pauli不共容原理，不可以全部躍遷至最低能態而形成凝結;　但是當溫度極冷之下，可形成Cooper pair而具有　boson性質變成超流體，這是長久以來物理學渴望的實驗，這方的目標已快要達成。

4. 凝態物理研究：利用雷射可以造成光晶格(optical lattices),將原子捕捉在各晶格中，調節光即可調整晶格束縛位能，因此可以操控凝態性質;德國學者已發表非常漂亮實驗顯示出超流体與Mott絕緣体的相變。

5. 原子分子的研究：由於粒子間具有交互作用，並非理想boson，這是統計力學非常有興趣的問題，此外冷原子的碰撞等都是非常新穎有趣的領域。

6. 天文物理的研究：由於實驗室可以精巧的操縱BEC的環境，學者已發表對於黑洞形成、白矮星等的實驗模擬。

以上只是略提一下，由於篇幅的關係，無法做進一步的介紹，雖然台灣的大環境因素, 使許多年輕人不願獻身研究物理，不過物理學近年的發展，其實非常精彩，值得校方及有志青年思考是否該積極關注！ (江進福)