一本书带你走进冷原子物理——两位青年学者写给曾经刚入行的自己

姚和朋

毕业于北京大学和巴黎综合理工大学，目前为日内瓦大学量子物理系博士后研究员,师从法国科学院院士Thierry Giamarchi教授。在理论物理顶刊Phys. Rev. Lett.有多篇冷原子方面的理论文章发表。

郭彦良

毕业于武汉大学，巴黎综合理工和巴黎十三大，目前为因斯布鲁克量子物理实验中心的博后研究员。除发表学术文章外，翻译出版多本科普书，同时为第六季《奇葩说》辩手。

冷原子与量子气体是近代量子物理学研究的重要前沿方向之一。它不仅是量子模拟方向的核心研究对象，也为量子信息、精密测量、量子计算等方向提供了重要的基础。自从世界上第一个玻色–爱因斯坦凝聚体问世以来，超冷原子的相关理论和实验技术飞速发展。近几十年间，我国在冷原子、量子计算、量子模拟、量子通信、精密测量等多个领域发展迅速。我们有许多举世瞩目的研究成果都发表在国际一流期刊上，对于一些问题的研究更是走在世界前列。

在我国的多个大学和研究所中，从事冷原子和量子气体研究的科研组越来越多，很多极具前沿性和挑战性的科研课题也涌现出来，越来越多的优秀青年工作者投入到这个领域的研究中。然而，对于所有量子物理或者冷原子物理的初学者们，想走进这个领域并不是一件容易的事。尤其对于想要进入这个领域从事研究的高年级本科生和研究生而言，精密又极具思维挑战性的物理、复杂的数学以及相当数量的英语专有名词，极大地增强了进入这个领域的初始阶段需要跨过的壁垒。作为作者，我们也经历过相同的阶段，深知在开始阶段一个好的老师或者一本好的母语参考书对于克服这个壁垒的重要性。然而，继《原子的激光冷却与陷俘》(王义遒) 等参考书之后，冷原子领域鲜有中文参考书。

因此，《冷原子物理与低维量子气体》（姚和朋等著. 北京：科学出版社, 2024.3）的写作意图是为该领域增添一本中文参考书。我们通过总结国内外著名教授编写的经典著作、国际优秀学术期刊的科研论文(包括知名综述文章)，提炼出冷原子与低维量子气体前沿内容的核心知识点，并深入浅出地向读者阐述。我们希望本书可以帮助相关领域的初学者快速入门，有助于相关领域的老师进行人才的培养，并有助于从事相关工作的研究者高效地查找所需的参考内容。

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在本书中，前两章主要讲述了在实验中制备玻色–爱因斯坦凝聚（(BEC)）的基本方法，以及理论上研究冷原子物理的一些基本描述方式和计算手段。在众多国内外的统计物理、量子统计物理等教材中通常也可能会出现与这一部分相关的内容的讲解，而本书主要是总结提炼了其中对冷原子物理研究最为重要的核心知识点。

▲ 美国天体物理联合实验室(JILA) 的87Rb 原子系统(上图) 与MIT 实验室的23Na原子(下图) 系统中获得的玻色–爱因斯坦凝聚体。在这两张图片中，左子图均代表温度刚刚超过临界凝聚温度的气体，中子图均代表刚刚形成凝聚体的同一气体，右子图均代表纯凝聚体。上图是动量分布的图像，下图是空间分布的图像。

接下来，本书的主体部分主要介绍冷原子在低维下的特殊物理性质。选取这个角度作为切入点，是因为我们意识到低维量子气体是近二十年来国际上冷原子领域重要的研究方向之一。其原因有三：第一，在二维或一维等低维度的世界里，很多物理规律并不是三维世界的“简化版”；相反，低维体系存在许多不同于三维的量子效应，而这些效应可以引发更多有趣的物理现象与实际应用。第二，低维体系其实广泛地存在于我们的实验室与生活中，如一维导线、一维光束、二维界面等。第三，随着光晶格技术与原子芯片技术的发展，生成低维冷原子的技术难题已经被攻克。目前，世界上多个冷原子小组已经可以熟练掌握生成与操控低维冷原子体系，为研究更丰富的物理提供了可能。

▲ 低维量子气体

在本书的论述中，我们既从实验角度讲解了低维冷原子气体的制备、操控和测量，也在理论上详细解释了低维气体的常用理论模型和计算方法。同时，我们也为读者展示了在低维系统中多个前沿研究课题的理论与实验结果，比如一维的玻色玻璃态、杂质在一维强关联系统中的输运、二维系统中的量子涡旋、二维系统中的拓扑态等。最后，在本书的最后一章(第八章)，我们希望为读者提供一些关于冷原子系统应用层面的视野。所以我们以原子钟、原子干涉仪和里德伯原子为例，讲解了冷原子在精密测量和量子信息上的应用。

需要指出的是，冷原子研究领域有一个非常强的特征：在其发展过程中，实验技术的进步和理论的完善犹如人的双腿，相辅相成，缺一不可。可以说众多重大的科研成果都是在理论和实验的携手并进下完成的。因此，本书也力求能同时兼顾理论的模型计算与实验的技术细节。我们希望无论是专攻实验还是专攻理论的研究人员，都能对两个方面有详细的了解，抑或是从本书中找到他们在科研中需要的信息。

我们希望以更广阔的视角把该领域的发展和前沿理论技术用中文总结成一本书——一本自己在几年前刚进入这个领域时会非常需要的参考书。

本书的两位主要作者都在国内的优秀大学完成了本科学业，并在巴黎综合理工学院与巴黎高等光学研究院读研时成为同学，随后都留在巴黎进入冷原子领域顶尖的研究小组攻读博士，分别主攻低维冷原子的理论与实验。在2020年完成博士答辩后，作者回首自己从本科到博士毕业的学习与科研经历，深深感受到这样一本中文参考书将可以使冷原子领域的科研人员获益，尤其是那些初学者，即本科生、硕士生以及低年级的博士生。因此，在从事博士后研究期间，我们都觉得应该投入一定的精力，结合自己的研究经验，基于已有书籍与近三十年国内外的一些研究热点的文献，来撰写这样一本书。

在有了这个想法之后，我们非常幸运地遇到了科学出版社的钱俊先生，他对本书的写作表示大力支持。于是，在接下来的一年时间里我们通过查阅更多的综述文献，与导师、科研合作者以及同是在冷原子专业不同方向的年轻学者交流，完成了这本《冷原子物理与低维量子气体》。

序 言

量子物理是当前科学研究重要的领域之一，我国把加强量子科技的发展作为重要的战略和布局。冷原子与量子模拟是近代量子物理领域的重要前沿方向，为量子信息、精密测量、量子计算等提供了重要的理论与实验基础。近三十年，诺贝尔物理学奖多次颁发给冷原子领域的科学家。就在2022 年，我的好友法国冷原子科学家Alain Aspect 也获得了这一殊荣，巧合的是，《冷原子物理与低维量子气体》一书的两位作者也是在Alain Aspect 所在的巴黎综合理工学院与巴黎高等光学研究院的校友。

该书的作者之一姚和朋，是在我的小组完成其本科科研和毕业论文的。在本科阶段，我就看出他对理论的浓烈兴趣以及对物理图像清晰描述的独特天赋。他的毕业课题是在微重力条件下如何使得原子获得比地面更低的温度，至今这一研究成果对我国空间站冷原子科学实验仍有指导意义。在当年的每次组会汇报上，无论是对前沿文献的阅读总结，还是对阶段性成果的汇报，他都能用缜密的逻辑、形象的叙述方式分享给全组人。我还听说，他在期中、期末考前，经常将自己的知识点进行总结，帮助同学准备那些难度较大的物理课程考试。而该书的另一作者郭彦良，也曾在攻读博士期间来我组访问，拥有较高的实验技术水平。在讨论交流中，能感受到他作为实验科研人员的理论功底，而他的生动形象的科研报告也展现出其头脑中清晰的物理图像，以及优异的语言表达能力。综上种种，我相信他们写出的将是一本理论逻辑缜密、叙述清晰、能使广大读者受益的参考书。

近二十年来，冷原子领域发展迅速，但中文参考书籍却很少。市场上，仍以英文参考书或由英文翻译成中文的参考书居多。而该书可看成是基于《量子统计力学》《原子的激光冷却与陷俘》等已有中文书籍进一步介绍当前冷原子前沿的专业书。该书受众不仅限于冷原子方向，也包括精密测量、量子信息等方向的人员。我认为，该书很适合大三至博士阶段在量子技术方向从事科研的学生阅读。它既可以作为量子统计、冷原子物理等相关课程的参考书，也是同学们完成科研课题过程中的好帮手。为此，我很高兴为广大读者推荐此书。

陈徐宗

北京大学

2023 年9 月

感谢陈徐宗教授和陈帅教授在阅读本书初稿时给予的认可与支持。感谢Laurent Sanchez-Palencia 教授(法国)、Hélène Perrin 教授(法国)、Hanns-Christoph Nägerl 教授(奥地利)、Thierry Giamarchi 教授(瑞士) 在与作者近几年的科研合作中对一些冷原子基础知识的深入讨论，这使得我们能够在一些问题上可以阐述更有深度的见解。

本书由姚和朋、郭彦良、王波涛、姚智斌共同撰写，其中姚和朋和郭彦良为主要作者。在完成本书的过程中，我们也得到很多当时同是在海外从事冷原子研究的青年科研人员的大力支持，在这些探讨交流的过程中，我们发现几乎所有在海外求学的青年科研人员(当然也包括我们自己在内) 都十分惦念祖国的科技发展，也都想着有朝一日能为此尽自己的一份力量。这种情怀和共识让我们感动，给我们更多力量来把这本书做得更好，同时也让我们对祖国未来在量子物理等前沿科学的发展充满信心和期待。

本文摘编自《冷原子物理与低维量子气体》（姚和朋等著. 北京：科学出版社, 2024.3）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

（21 世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书）

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

ISBN 978-7-03-078243-4

责任编辑: 钱 俊 陈艳峰 崔慧娴

本书内容结合了近三十年国内外冷原子领域研究热点。前两章回顾了近代冷原子物理的发展历程，简要地总结了冷原子领域的常用基础知识。第三章至第七章，讲解了一、二维量子气体的基础理论知识体系与常用模型，并介绍了一些当下领域内的热门研究方向，如量子拓扑、多体局域化、量子涡旋等。第八章讨论了冷原子系统如何为量子信息、精密测量等前沿热点应用研究提供重要支持。作者结合自己的科研成果，通过对国内外代表性参考书、综述文章的总结以及与多位国际知名教授深入探讨，提炼出冷原子与低维量子气体前沿内容的核心知识点，并深入浅出地介绍给读者。

本书可供冷原子以及量子物理相关领域的学生学习使用，也可供相关领域的研究者阅读参考。

（本文编辑：刘四旦）

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