[原创]原子光学简介

zemax · 发表于 2003-4-6 04:48:00

1923年，德布罗意提出了物质波的概念，他提出，一定能量E及动量p的粒子可以与一种物质波相联系。常温下原子的德布罗意波长很小（0.1nm量级），在宏观尺度下其波动性不易体现，因此长期以来对原子波动性质并没有系统的研究。近年来，随着原子冷却技术的发展，原子的温度不断被降低，使得原子的德布罗意波长变长，从而使原子在宏观尺度下也能显著表现出波动性，在这个基础上，一门新的科学分支－原子光学开始兴起。与研究光波的传统光学相比，原子光学注重的是原子的波动特性。跟光波相比，原子具有很多不同的性质，构成光波的光子是一种静止质量为零的玻色子，而原子是有质量的，并且原子有复杂的内部结构，因此原子光学研究的内容与传统光学既有很多相似之处，又有不少区别。与光学研究类似，目前原子光学的研究包括线性，非线性原子光学，量子原子光学。在原子光学领域，人们观察到了原子的反射，聚焦，干涉，衍射等特性，原子物质波的四波混频等非线性原子光学效应，以及玻色－爱因斯坦凝聚现象和由此实现的输出相干原子束的原子激射器（atom laser）。由于原子与光子在性质上的区别，光波的色散关系是线性的而原子的色散关系是二次方的，对于光波的描述可以使用麦克斯韦方程组而原子波是由量子力学薛定谔方程来描写。
随着原子的温度降得越来越低，原子的速度分布越来越窄，对应的热de Broglie波长（lde）越来越长，因此原子体系具有很新的物理性质，出现许多新的物理现象。例如，原子波动性突出的原子衍射、干涉现象，原子波导等；又如，当lde大于原子间距时，玻色气体的“凝聚”现象（即玻色－爱因斯坦凝聚，在这种现象发生时，宏观数量的原子处于同一量子态）；更进一步，将这种处于高度量子简并态的原子耦合输出，形成所谓原子激射器（atom laser 又称原子激光），这是第一种物质波激射器，是继maser, laser之后的第三类激射器；这类超冷原子气体还具有特殊的色散关系和极高的非线性，光通过这类介质时光速降至极低（见Nature 397 594（1999））；人们还观察到这种原子体系的物质波四波混频现象（见Nature 398 218（1999））。
原子的波动性越来越明显地体现。将原子行为与光子行为作比较，人们因此逐步发展出一个被称为原子光学（Atom Optics）的新领域。原子光学是一个原子物理和光物理交叉的新领域，在这个领域中，人们类似光物理中处理光（光子）那样来处理原子。目前人们已研究了原子的反射、折射、分束、衍射、干涉等，并在九十年代研究了原子导引（atom guidance）、原子激射器（atom laser）和原子物质波混频（atom matter wave mixing）。显然，在原子物理和光物理交叉发展的这个领域中，人们已不再只停留在光和物质粒子地位对称，都具有波动性和粒子性这个基本物理概念之上，而是将其全面地、深入地、在各个具体的物理问题中生动地演绎开来。

zgzxb · 发表于 2003-4-6 08:09:00

“近年来，随着原子冷却技术的发展，原子的温度不断被降低，使得原子的德布罗意波长变长，从而使原子在宏观尺度下也能显著表现出波动性，”
这是为什么呢？

zemax · 发表于 2003-4-6 08:30:00

好问题，呵呵，中间有一段，偶没有贴出来

对于大量原子构成的体系，原子的动量具有一定的分布，因此原子的德布罗意波长也具有一定的分布。原子德布罗意波长分布的宽度被称为原子的热德布罗意波长，它可以定义为不同德布罗意波叠加后形成得空间波包得包络。在冷原子光学中，有意义得是原子得热德布罗意波长，而不是单个原子的德布罗意波长，原子的温度越低，动量的线宽就越窄，而空间分布的宽度就会越大,他们之间的关系可以用测不准关系，或在数学上用傅立叶变换来确定。
而显然在这个波包内的原子是不可分辨的，，而经典的原子具有可以分辨的特征，因此必须由量子力学来描述，而在温度很低的时候，原子波包的尺寸可以达到亚毫米量级，也就是在一个在宏观的尺度下必须用量子力学描述的体系。
注意这里说的原子波包，是指原子质心运动波包，而不是原子自己的实际大小，这个是不会随温度变化的。

zgzxb · 发表于 2003-4-6 08:49:00

太深奥了，看不明白阿！！
呵呵。

zemax · 发表于 2003-4-6 12:27:00

呵呵，可以和激光类比，激光的频宽越窄，空间的相干长度就越长。
同样对原子，温度越低，动量的宽度就越窄，因此，在一个很大的宏观区域里原子波都是相干的，换句话说就是在这个区域里面的原子是全同的，不可分辨的。

[原创]原子光学简介