作者:Chia-Chen Chang 2001/03/12 

物理學家首次將混合了 Boson、Fermion 
原子氣冷卻至極低的溫度,成功地演示了這兩種粒子在低溫下的特性。 在量子
力學的世界中粒子依照其自旋的特性分為兩類:一類是 Boson,其自旋為 1/2 
的偶數倍
另一類稱為 Fermion,自旋則為 1/2 的奇數倍。由於 Fermion 的行
為必須受到 Pauli 不相容原理的規範,使得兩類粒子的量子力學以及統計力學特
性完全不同,這種差異性在低溫的環境下特別的明顯。

 在極低溫時,所有的 Boson 傾向處在相同的最低量子態下,這便是著名的 
Bose-Einstein 凝聚態;而 Fermion 因為不相容原理之故無法在低溫下發生
類似的凝聚現象,而會產生 Fermi 簡併 (Fermi degeneracy) 的量子效應。
這個效應產生的 Fermi 壓力是天文學上一些演化末期的星體如白矮星、中子
星用來抵抗自身重力塌陷保持星球結構穩定的來源。 關於 Bose-Einstein 凝
聚態的研究,先前已有好幾組科學家透過不同的冷卻方法而達成。美國 Rice
 大學物理系的 Randall Hulet 教授所率領的研究人員,便曾經在實驗室產生
鋰-7原子的低溫凝聚態。利用這次的經驗,Hulet 更進一步地將混合了
鋰-6(Fermion)、鋰-7(Boson)兩種原子的氣體冷卻至絕對溫度不到百萬分之
一度的極低溫。在實驗中他們清楚的觀察到隨著溫度的降低,鋰-7 原子團
(atom cloud)因為發生凝聚現象的關係而漸漸縮小。相反的鋰-6 原子團因為 
Fermi 壓力的緣故,在降至一定的溫度之後便維持在一定的大小( 參閱實驗照
片 )。 此次實驗的意義除了是科學家首次觀察低溫下 Boson-Fermion 混合系
統的行為之外,也清楚的說明了白矮星上面可能發生的物理過程。Hulet 與其
研究小組未來計畫向更低的溫度挑戰,試圖在極度低溫的環境下讓 Fermion 
形成 Cooper pair 並產生超流(superfluid)態,這將是科學家瞭解超導體發生
機制的一次重大嘗試。

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