【物理研究】消失無蹤的BEC

■一群美國科學家利用玻色愛因斯坦凝聚態(BEC)來研究以物質波所形成的孤立波。他們發現在特定情形下，當兩個物質波所形成的孤立波發生對撞，玻色愛因斯坦凝聚態會忽然消失。

撰文｜陳勁豪

原子根據所帶的自旋，可以分為自旋為整數的玻色子與自旋為半整數的費米子。當一群帶有整數自旋的原子冷凍到極低溫的時候，它們會形成玻色愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein condensation, BEC)。這時這個BEC可以被視為是這群原子的集合體，或者是看成一個巨觀的物質波。

孤立波(soliton)是指特殊的波包(wave packet)，可以傳遞到相當長的距離而不會改變其形狀或是減弱。孤立波最早是在水波中被發現，但是在許多波動方程式中都有孤立波的存在，例如某些特別的一維非線性薛丁格方程式中。這個情況剛好可以利用在被限制在狹長管狀空間中的BEC。

美國Rice大學的Randy Hulet及一群以色列及澳洲的研究人員決定利用BEC所產生的物質波來製造孤立波，進而研究物質孤立波的性質。他們首先用鋰-7原子來製造BEC，並將這團BEC放入細長管狀容器中。接著他們用雷射把這團BEC分成相隔約26微米的兩半，並讓這兩份BEC各自形成孤立波，最後讓這兩個孤立波相互吸引並進行對撞。

在大多數的情形下，他們發現這兩個由BEC所形成的孤立波就跟一般的孤立波一樣，它們會穿過彼此，然後繼續前進。當這兩個孤立波碰撞的時候，它們之間的相位差會表現在碰撞時兩個波的疊加態上。例如，當兩個孤立波的相位一致的時候，兩個孤立波會產生疊加性干涉。

但是研究人員發現，在某些特別的情形下，這兩個孤立波相互碰撞的時候，會讓整群BEC直接消失崩解。這個情形發生在兩個孤立波幾乎具有相同相位的時候。這個情形並不存在於一維非線性薛丁格方程式的孤立波解中，所以讓研究人員相當意外。他們認為，有可能是因為兩個孤立波同調疊加，讓整個系統的原子密度過高，因此從一維的系統膨脹到類似三維的情形，因此造成孤立波及BEC的崩解。

Hulet及他的研究團隊希望能夠對這個現象做更進一步的了解，包括更精確的研究兩個孤立波與相位之間的關係，已確實了解孤立波崩解的原因。更長期的目標將可能是利用這種孤立波來設計物質波的干涉儀。

原始論文：
Collisions of matter-wave solitons
Nature Physics (2014)
doi:10.1038/nphys3135
參考資料：
Physics World 2014/11/06: Colliding Bose-Einstein condensates vanish from sight
Phys.org 2014/11/02: Ultracold disappearing act: 'Matter waves' move through one another but never share space

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作者：陳勁豪　科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位，研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」（Sciscape.org）總編輯。