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出版者:Oxford University Press, USA

作者:L. Pitaevskii

出品人:

页数:492

译者:

出版时间:2003-6-12

价格:USD 150.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780198507192

丛书系列:

图书标签:

BEC
凝聚态物理
凝聚态7
phy.
2011
凝聚态物理
低温物理
量子气体
玻色-爱因斯坦凝聚
超流体
量子统计
原子物理
相变
量子现象
物理学

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具体描述

The book is an introductory text to the physics of Bose-Einstein condensation. This phenomenon, first predicted by Einstein in 1925, has been realized experimentally in 1995 in a remarkable series of experiments whose importance has been recognized by the award of the 2001 Nobel Prize in Physics. The condensate is actually a new state of matter, where quantum-mechanical wave functions of atoms behave as coherent matter waves in the same way as coherent light waves in the case of a laser. The authors provide a theoretical presentation of the main concepts underlying the physics of dilute atomic gases in conditions of extremely low temperatures where quantum effects play a crucial role. The main effort is devoted to discussion of the relevant theoretical aspects exhibited by these systems, such as the concept of order parameter, long range order, superfluidity and coherence. The mathematical formalism is presented in a form convenient for practical use. The book develops the theory of Bose gases starting from the pioneering Bogoliubov approach and gives special emphasis to the new physical features exhibited by non-uniform gases which are produced in the recent experiments with magnetic and optical traps. These features include the determination of the equilibrium profiles, the collective oscillations, the mechanism of the expansion of the gas after releasing the trap, the interference patterns obtained by overlapping two condensates, the rotational properties revealing the effects of superfluidity (quantized vortices, behaviour of the moment of inertia), the Josephson-like phenomena associated with the coherence of the phase, the beyond mean field phenomena exhibited by quantum gases in conditions of reduced dimensionality (1D and 2D) etc. The book also discusses the analogies and differences with the physics of "classical" superfluids like liquid helium and introduces some of the major features of trapped Fermi gases at low temperature, pointing out the consequences of superfluidity.

好的，这是一份关于一本名为《Bose-Einstein Condensation》的图书的详细简介，内容完全围绕该主题展开，力求详实深入，展现出学术专著的严谨风格。 --- 图书简介：《Bose--Einstein Condensation》探索量子多体物理的前沿：从理论基石到实验前沿《Bose-Einstein Condensation》（玻色-爱因斯坦凝聚，简称BEC）是一部系统性、深入探讨量子力学中一个最为迷人且深远的现象——玻色-爱因斯坦凝聚现象的权威性学术专著。本书旨在为凝聚态物理、原子分子物理、量子光学以及统计物理领域的研究人员、高年级本科生和研究生提供一个全面且精炼的知识框架，覆盖了从理论基础建立、关键物理过程的描述，到前沿实验技术的实现与应用的全景图。本书的结构设计体现了逻辑的递进性：从宏观统计物理的视角引入，逐步深入到微观的量子场论描述，最终聚焦于实验观测与实际应用。全书共分为十四章，每章内容紧密相连，构建了一个严谨的知识链条。第一部分：理论基石与统计力学基础第1章：玻色子系统与统计描述的引言本章首先回顾了量子统计物理学的基本概念，重点区分了费米子与玻色子的核心区别，包括它们各自的波函数对称性要求。详细介绍了玻色-爱因斯坦统计的数学形式，以及在经典极限下（高能、低密度）如何回归到麦克斯韦-玻尔兹曼统计。引入了粒子数、能量和化学势等关键热力学量在玻色子系综中的定义。第2章：理想玻色气体（IBG）的配分函数与热力学本章是BEC理论的数学核心之一。详细推导了无相互作用理想玻色气体的正则系综配分函数。通过对量子态的积分或求和，精确计算了系统的内能、压力和热容等基本热力学量。重点分析了粒子密度与温度的关系，为识别凝聚临界点奠定了基础。第3章：临界温度与凝聚现象的精确判据本章集中分析了IBG在三维空间中的行为。导出了著名的临界温度 $T_c$ 公式，并深入探讨了凝聚分数（Condensate Fraction）的温度依赖性。详细讨论了临界点附近物理量的奇异性（如比热的跳跃或峰值），并引入了广义的临界指数概念，尽管在IBG中它表现为奇异点而非连续相变中的指数关系。第4章：动量空间与能带结构中的凝聚超越了简单的理想气体模型，本章探讨了在有限势场（如各向异性的谐振子阱）中，电子或原子束缚态能级对BEC形成的影响。分析了动量空间中粒子分布的演变，并讨论了玻恩-冯·卡门边界条件对系统周期性假设的修正意义。第二部分：从宏观到微观：量子场论的视角第5章：粒子图像到场算符的转换为了更精细地描述低能激发和相互作用，本章引入了量子场论的工具。详细阐述了产生和湮灭算符 $(hat{a}^dagger, hat{a})$ 的构造，以及它们满足的对易关系。将单粒子薛定谔方程推广到多体系统，并建立了粒子密度算符的场论表达。第6章：平均场近似与Gross-Pitaevskii（GP）方程这是描述相互作用BEC的核心。本章首先讨论了弱相互作用假设下的平均场理论，即Hartree-Fock近似。随后，详细推导并分析了Gross-Pitaevskii方程（GP方程）。GP方程作为描述凝聚态宏观波函数的非线性薛定谔方程，是后续所有凝聚态动力学分析的基础。讨论了该方程的有效势能项和非线性项的物理意义。第7章：凝聚态的基态与拓扑缺陷基于GP方程，本章求解了均匀介质和受限系统（如陷阱势）中的定态基解，包括涡旋结构和棒状、盘状等不同几何构型的凝聚体。深入探讨了相位的性质，并引入了拓扑缺陷（如涡旋线和畴壁）的概念，分析了这些缺陷在相变过程中或激发下的形成与演化。第三部分：实验实现与前沿研究第8章：冷却与囚禁技术：迈向原子BEC 本章转向实验物理学，详细回顾了实现超低温原子所需的关键技术。系统介绍了激光冷却（Doppler Cooling, Sisyphus Cooling）的原理和局限性。重点阐述了磁光阱（MOT）的搭建、工作原理及其在初步捕获原子中的作用。第9章：蒸发冷却的艺术：从微开尔文到纳开尔文蒸发冷却（Evaporative Cooling）是实现BEC的关键。本章详细描述了如何通过逐步减小磁阱的深度来“蒸发”掉高能粒子，从而使剩余粒子达到极低的温度。讨论了有效捕获频率、蒸发速率的最佳控制策略，以及如何最大化凝聚体的产量。第10章：实验观测手段：成像与表征描述了如何“看见”一个原子凝聚体。详细介绍了时间飞行（Time-of-Flight, TOF）测量技术，解释了TOF图像中凝聚峰（Sharp Peak）的物理成因。探讨了拉曼成像、吸收成像等其他无损和破坏性测量方法，用于确定凝聚体的空间分布和动量分布。第11章：相互作用的精确控制：Feshbach共振原子BEC与其他凝聚态系统（如超流氦）的关键区别在于其相互作用强度是可调的。本章深入讲解了Feshbach共振的量子力学原理，解释了如何通过调节外部磁场来精确控制原子间的s波散射长度，从而实现从弱耦合到强耦合的连续过渡。第12章：量子气体中的非理想效应与相互作用BEC 利用Feshbach共振实现的强相互作用系统，本章探讨了偏离IBG模型的现象。重点分析了“声学”激发（Bogoliubov 激发）的频谱，计算了凝聚体内部的声速，并讨论了三体衰变和损失机制对实验寿命的影响。第13章：扩展：超冷分子与费米子对本书的视野扩展到更复杂的量子多体系统。首先讨论了如何通过分子重组技术形成超冷分子BEC。随后，详细阐述了超冷费米气体中的配对问题，介绍了类BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）相变，以及在Feshbach共振下从费米液体到BEC的连续转变（BEC-BCS 交叉）。第14章：前沿应用与未来展望本章展望了BEC的实际应用潜力。讨论了利用原子干涉测量高精度引力、旋转或加速度的原理。探讨了模拟复杂物理问题（如模拟高维晶格势中的电子行为）在量子模拟器中的应用。最后，对未来在拓扑BEC、非厄米系统中的应用进行了展望。总结：《Bose-Einstein Condensation》不仅是一本教科书，更是一份详尽的路线图，引导读者穿越理论的深渊和实验的精微，全面掌握这一彻底改变我们对物质认识的量子奇迹。本书的严谨推导、详尽的实验背景介绍以及对前沿问题的聚焦，使其成为该领域不可或缺的参考资料。