埃里克康奈尔论文发表于

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。

1924年，被连续拒稿的萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）心灰意冷，选择将自己的稿件寄给爱因斯坦。这份手稿没有一丝经典物理的痕迹，完全建立在量子理论的基础之上，而其中的推导吸引了爱因斯坦的注意。爱因斯坦亲自将玻色的手稿从英语翻译成德语，并以玻色的名义寄送给当时的重要期刊《德国物理学刊》。

正是在这篇文章中，玻色-爱因斯坦凝聚态的概念被提出了。量子力学中，粒子由波函数描述。当温度接近绝对零度时，粒子都处于最低能级，它们的波函数扩散开来。如果此时粒子密度较大， 波函数覆盖的范围超出粒子间的间距，我们无法从波函数中分辨出单个粒子，玻色-爱因斯坦凝聚态就产生了。 这是一组处于相同量子态上的粒子，它们拥有完全相同的取向、完全一致的振动频率。

1995年，埃里克·阿林·康奈尔（Eric Allin Cornell）带领团队将铷-87原子冷却到170纳开尔文（nK）后，首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚态。4个月后，沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）的团队利用纳-23原子独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。后来，他们共同获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

但在此之后的20多年里， 没有人能稳定地让分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态 。相比于原子，分子能级更为复杂，用途更为广泛。不过也正因如此，它们更难被冷却。

直到最近，在一篇发表于《自然》的论文中，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 。

论文通讯作者，芝加哥大学教授金政表示：“ 实验最难的部分就是保证分子玻色-爱因斯坦凝聚态的稳定性 ，如果它们消散太快，我们就无法验证它们是否形成了这种状态。”分子之间的非弹性碰撞会很快将其加热，让分子逃离势阱，并且阻止分子进入玻色-爱因斯坦凝聚态。而 低温和合适的势阱形状 ，是分子玻色-爱因斯坦凝聚态能稳定存在的关键因素。

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。

除此之外，研究团队将这6万个11纳开尔文的铯原子固定到特定势阱中，这个势阱中，Z方向的势阱高度远高于铯原子动能，原子只能在和Z轴垂直的平面上运动，这就是所谓的二维势阱。而这个二维的底部形状，论文第一作者张振东表示：“我们实验相比之前最大的创新，就是势阱的形状， 平底的势阱相较于简谐势阱来说，更容易让分子稳定存在。 ”

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。

两个铯原子接近时，其整体势能发生变化。一般而言，铯原子并不会自发变成铯分子，但铯原子和铯分子的磁矩不同，其势能曲线随磁场的影响也不同。通过改变磁场， 铯原子和铯分子的势能曲线就会接近，这时就会产生Feshbach共振。 6万个铯原子中，任意两个都有机会配对转变成铯分子，玻色-爱因斯坦凝聚态的铯原子中的一部分就在这一步转变为了铯分子。

不是所有的铯原子都能转变成铯分子，研究人员还需要 将铯原子和铯分子分离开来 。而也正是由于铯原子和铯分子磁矩不同，两者对磁场的响应是不同的。研究人员向上施加一个带有梯度的磁场，铯原子和铯分子就能分离开。而磁矩的不同也代表着能级的些许不同，对不同频率激光的响应也不同：特定的激光可以移动铯原子，而不会移动铯分子。磁场和激光双管齐下，铯分子和铯原子之间就这样分离开来。因此，这也意味着研究人员实现了铯分子的玻色-爱因斯坦凝聚。

“有时候在实验中你很难去预测你会看到什么， 但是之后如果用理论去分析，你会发现它是合理的。 ”张振东说道。数十年来，人们一直在朝着分子玻色-爱因斯坦凝聚态这个目标前进。不论是谁最终能实现这个目标，也都是站在巨人的肩膀上。2003年时，就已经有团队找到了分子玻色-爱因斯坦凝聚态的迹象，但是并不能让其稳定存在。而今天较为稳定的玻色-爱因斯坦凝聚态，实用意义要强得多。

金政教授从上世纪90年代，还是研究生时就一直想实现这个目标，他说：“数十年来，人们一直在尝试实现这个目标，我们非常兴奋。我希望这能在多体量子化学中打开一个全新的领域。有证据表明，还有很多未知等待着我们去发现。”

分子玻色-爱因斯坦凝聚态相对于原子玻色-爱因斯坦凝聚态更难产生的原因之一，就是其震转能级结构更加丰富。 不过也正是由于这种复杂的结构，让分子相对原子的玻色-爱因斯坦凝聚态有着更广泛的应用前景。 对量子工程来说，分子玻色-爱因斯坦凝聚态就像一张等待人们在其上大展宏图的白纸。金政教授表示：“例如在量子化学，量子信息和精确测量方面，这种更复杂的结构能让原本在原子上不可能的应用变成了可能。”

撰文：王昱

审校：张振东（论文第一作者）

参考论文：

Zhang, Z., Chen, L., Yao, KX. et al. Transition from an atomic to a molecular Bose–Einstein condensate. Nature 592, 708–711 (2021).

参考链接：

https://en.wikipedia.org/wiki/Bose–Einstein_condensate

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）”。