陈根：物质第五态，喜迎新突破？

文/陈根

固态、液态、气态和等离子体是为人所熟悉的物质的四种状态，而在这四种状态之外，则还存在物质第五态，即玻色-爱因斯坦凝聚态。

早在20世纪20年代初，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和印度数学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）就预言了玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，BEC）的存在。

玻色-爱因斯坦凝聚态是玻色子原子冷却到略高于绝对零度时形成的。这会导致它们下沉到能量最低的量子态，移动非常缓慢，并且靠近到可以重叠，从而产生一个高密度的原子云。这时的物质状态不再表现为单个原子和粒子，而是一个处于量子态的实体，表现出统一的状态。

当然，物理的实验要追赶上理论，往往还需要漫长的时间。在玻色-爱因斯坦凝聚的理论预测诞生70多年后，这种状态真正地在实验室中被制造出来，并且，至今为止，物理学家们仍在尝试制备物质的第五状态。

近日，来自芝加哥大学和山西大学的国际研究团队将6万个11纳开尔文的铯原子固定在他们制造的二维平坦势阱中，产生了铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚态，在磁场的作用下，这些原子形成了分子，首次形成较为稳定的铯分子玻色-爱因斯坦凝聚态。

为了实现极冷的实验环境，研究团队分三个阶段来冷却铯原子。

第一阶段是激光冷却，铯原子被放到磁光阱中，铯原子受到来自三对方向垂直的特定频率的激光照射，当其运动方向与激光方向相对时，铯原子会吸收光子，同时获得原先光子的动量，但由于两者运动方向相反，铯原子的动量会降低，也就是让其降温。在这个过程中，铯原子能被冷却到几微开尔文量级。

第二阶段需要拉曼边带冷却，即将铯原子束缚到光晶格中，每个格点可以近似看作一个简谐子势阱。在简谐子势阱中，原子一般不处于振动能级基态。而由于外加磁场对原子造成的塞曼效应（Zeeman effect），原子能级分裂成多个能级。

调整磁场让分裂能级间隔和原子振动能级间隔相同，再通过拉曼双光子过程，改变原子的磁量子数和振动能级，让原子处于最低能量状态，这样就能让原子冷却到几百纳开尔文左右。

第三阶段需要用到蒸发冷却。将原子固定到势阱中，不断降低势阱的深度，让动能较高的原子自发逃出势阱。就像蒸发一样，逃走的原子带走了部分热量，剩下的原子经过弹性碰撞达到平衡后，相较于之前的状态，整体温度进一步降低。最终，通过三个冷却步骤，研究人员得到了6万个11纳开尔文的铯原子组成的凝聚体。

将6万个铯原子冷却到11纳开尔文，并固定到二维平坦势阱中后，铯原子就已经进入了玻色-爱因斯坦凝聚态。接下来，研究人员通过控制磁场变化，让铯原子变为了铯分子，首次形成较为稳定的铯分子玻色-爱因斯坦凝聚态。

这对于量子力学的研究无疑是种新突破，实际上，量子科学触及了人们生活的方方面面。量子力学作为物理学的一个分支，专注于研究原子和亚原子粒子的行为，是包括手机和计算机在内的许多现代技术中多种组件的构成基础，涉及了硅的电子波动特性。更多的突破也将为人类探索未知做出更多铺垫。