冷原子實驗中等效規範場的量子模擬

自從1985年物理學家發展出雷射冷卻與捕捉原子的物理與技術（1997年諾貝爾物理獎），以及其後的蒸發冷卻（evaporativecooling）技術，原子的絕對溫度可被降到10-5－10-10 K（Kelvin）的範圍，可達到足夠低溫的非古典範疇。此時古典的Maxwell－Boltzmann statistics統計分布已不再適用，我們必須使用量子統計分布才能正確描述此類物理系統。量子統計分布包括玻色－愛因斯坦統計（Bose-Einstein statistics）與費米－狄拉克統計（Fermi-Dirac statistics）。量子統計分布的種類取決於粒子的自旋角動量（spin angularmomentum）：以ћ（h / 2π，h為普朗克常數）為單位，自旋為整數的玻色子（boson）遵循玻色－愛因斯坦統計；自旋為半整數（half integer）的費米子遵循費米－狄拉克統計。當溫度冷至絕對零度時，玻色粒子（bosons）都佔據最低能量的能階，形成玻色愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate，BEC），亦可稱為玻色凝聚態；而費米子（fermions）佔據的能階由最低能量態到費米能EF（Fermi energy）（見圖一）。玻色凝聚的原子數一般為105-106，原子空間密度約為1014 cm−3，因此也稱之為量子氣體。玻色凝聚氣體於1995年在實驗中實現，亦為2001年諾貝爾物理獎。