姚和朋
畢業於北京大學和巴黎綜合理工大學，目前為日內瓦大學量子物理系博士後研究員,師從法國科學院院士Thierry Giamarchi教授。在理論物理頂刊Phys. Rev. Lett.有多篇冷原子方面的理論文章發表。
郭彥良
畢業於武漢大學，巴黎綜合理工和巴黎十三大，目前為因斯布魯克量子物理實驗中心的博後研究員。除發表學術文章外，轉譯出版多本科普書，同時為第六季【奇葩說】辯手。
冷原子與量子氣體是近代量子物理學研究的重要前沿方向之一。它不僅是量子模擬方向的核心研究物件，也為量子資訊、精密測量、量子計算等方向提供了重要的基礎。自從世界上第一個玻色–愛因斯坦凝聚體問世以來，超冷原子的相關理論和實驗技術飛速發展。近幾十年間，中國在冷原子、量子計算、量子模擬、量子通訊、精密測量等多個領域發展迅速。我們有許多舉世矚目的研究成果都發表在國際一流期刊上，對於一些問題的研究更是走在世界前列。
在中國的多個大學和研究所中，從事冷原子和量子氣體研究的科研組越來越多，很多極具前沿性和挑戰性的科研課題也湧現出來，越來越多的優秀青年工作者投入到這個領域的研究中。然而，對於所有量子物理或者冷原子物理的初學者們，想走進這個領域並不是一件容易的事。尤其對於想要進入這個領域從事研究的高年級本科生和研究生而言，精密又極具思維挑戰性的物理、復雜的數學以及相當數量的英語專有名詞，極大地增強了進入這個領域的初始階段需要跨過的壁壘。作為作者，我們也經歷過相同的階段，深知在開始階段一個好的老師或者一本好的母語參考書對於克服這個壁壘的重要性。然而，繼【原子的激光冷卻與陷俘】(王義遒) 等參考書之後，冷原子領域鮮有中文參考書。
因此，【冷原子物理與低維量子氣體】（姚和朋等著. 北京：科學出版社, 2024.3）的寫作意圖是為該領域增添一本中文參考書。我們透過總結國內外著名教授編寫的經典著作、國際優秀學術期刊的科研論文(包括知名綜述文章)，提煉出冷原子與低維量子氣體前沿內容的核心知識點，並深入淺出地向讀者闡述。我們希望本書可以幫助相關領域的初學者快速入門，有助於相關領域的老師進行人才的培養，並有助於從事相關工作的研究者高效地尋找所需的參考內容。
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在本書中，前兩章主要講述了在實驗中制備玻色–愛因斯坦凝聚（(BEC)）的基本方法，以及理論上研究冷原子物理的一些基本描述方式和計算手段。在眾多國內外的統計物理、量子統計物理等教材中通常也可能會出現與這一部份相關的內容的講解，而本書主要是總結提煉了其中對冷原子物理研究最為重要的核心知識點。
▲ 美國天體物理聯合實驗室(JILA) 的87Rb 原子系統(上圖) 與MIT 實驗室的23Na原子(下圖) 系統中獲得的玻色–愛因斯坦凝聚體。在這兩張圖片中，左子圖均代表溫度剛剛超過臨界凝聚溫度的氣體，中子圖均代表剛剛形成凝聚體的同一氣體，右子圖均代表純凝聚體。上圖是動量分布的影像，下圖是空間分布的影像。
接下來，本書的主體部份主要介紹冷原子在低維下的特殊物理性質。選取這個角度作為切入點，是因為我們意識到低維量子氣體是近二十年來國際上冷原子領域重要的研究方向之一。其原因有三：第一，在二維或一維等低維度的世界裏，很多物理規律並不是三維世界的「簡化版」；相反，低維體系存在許多不同於三維的量子效應，而這些效應可以引發更多有趣的物理現象與實際套用。第二，低維體系其實廣泛地存在於我們的實驗室與生活中，如一維導線、一維光束、二維界面等。第三，隨著光晶格技術與原子芯片技術的發展，生成低維冷原子的技術難題已經被攻克。目前，世界上多個冷原子小組已經可以熟練掌握生成與操控低維冷原子體系，為研究更豐富的物理提供了可能。
▲ 低維量子氣體
在本書的論述中，我們既從實驗角度講解了低維冷原子氣體的制備、操控和測量，也在理論上詳細解釋了低維氣體的常用理論模型和計算方法。同時，我們也為讀者展示了在低維系統中多個前沿研究課題的理論與實驗結果，比如一維的玻色玻璃態、雜質在一維強關聯系統中的輸運、二維系統中的量子渦旋、二維系統中的拓撲態等。最後，在本書的最後一章(第八章)，我們希望為讀者提供一些關於冷原子系統套用層面的視野。所以我們以原子鐘、原子幹涉儀和芮得柏原子為例，講解了冷原子在精密測量和量子資訊上的套用。
需要指出的是，冷原子研究領域有一個非常強的特征：在其發展過程中，實驗技術的進步和理論的完善猶如人的雙腿，相輔相成，缺一不可。可以說眾多重大的科研成果都是在理論和實驗的攜手並進下完成的。因此，本書也力求能同時兼顧理論的模型計算與實驗的技術細節。我們希望無論是專攻實驗還是專攻理論的研究人員，都能對兩個方面有詳細的了解，抑或是從本書中找到他們在科研中需要的資訊。
我們希望以更廣闊的視角把該領域的發展和前沿理論技術用中文總結成一本書——一本自己在幾年前剛進入這個領域時會非常需要的參考書。
本書的兩位主要作者都在國內的優秀大學完成了本科學業，並在巴黎綜合理工學院與巴黎高等光學研究院讀研時成為同學，隨後都留在巴黎進入冷原子領域頂尖的研究小組攻讀博士，分別主攻低維冷原子的理論與實驗。在2020年完成博士答辯後，作者回首自己從本科到博士畢業的學習與科研經歷，深深感受到這樣一本中文參考書將可以使冷原子領域的科研人員獲益，尤其是那些初學者，即本科生、碩士生以及低年級的博士生。因此，在從事博士後研究期間，我們都覺得應該投入一定的精力，結合自己的研究經驗，基於已有書籍與近三十年國內外的一些研究熱點的文獻，來撰寫這樣一本書。
在有了這個想法之後，我們非常幸運地遇到了科學出版社的錢俊先生，他對本書的寫作表示大力支持。於是，在接下來的一年時間裏我們透過查閱更多的綜述文獻，與導師、科研合作者以及同是在冷原子專業不同方向的年輕學者交流，完成了這本【冷原子物理與低維量子氣體】。
序 言
量子物理是當前科學研究重要的領域之一，中國把加強量子科技的發展作為重要的戰略和布局。冷原子與量子模擬是近代量子物理領域的重要前沿方向，為量子資訊、精密測量、量子計算等提供了重要的理論與實驗基礎。近三十年，諾貝爾物理學獎多次頒發給冷原子領域的科學家。就在2022 年，我的好友法國冷原子科學家Alain Aspect 也獲得了這一殊榮，巧合的是，【冷原子物理與低維量子氣體】一書的兩位作者也是在Alain Aspect 所在的巴黎綜合理工學院與巴黎高等光學研究院的校友。
該書的作者之一姚和朋，是在我的小組完成其本科科研和畢業論文的。在本科階段，我就看出他對理論的濃烈興趣以及對物理影像清晰描述的獨特天賦。他的畢業課題是在微重力條件下如何使得原子獲得比地面更低的溫度，至今這一研究成果對中國空間站冷原子科學實驗仍有指導意義。在當年的每次組會匯報上，無論是對前沿文獻的閱讀總結，還是對階段性成果的匯報，他都能用縝密的邏輯、形象的敘述方式分享給全組人。我還聽說，他在期中、期末考前，經常將自己的知識點進行總結，幫助同學準備那些難度較大的物理課程考試。而該書的另一作者郭彥良，也曾在攻讀博士期間來我組存取，擁有較高的實驗技術水平。在討論交流中，能感受到他作為實驗科研人員的理論功底，而他的生動形象的科研報告也展現出其頭腦中清晰的物理影像，以及優異的語言表達能力。綜上種種，我相信他們寫出的將是一本理論邏輯縝密、敘述清晰、能使廣大讀者受益的參考書。
近二十年來，冷原子領域發展迅速，但中文參考書籍卻很少。市場上，仍以英文參考書或由英文轉譯成中文的參考書居多。而該書可看成是基於【量子統計力學】【原子的激光冷卻與陷俘】等已有中文書籍進一步介紹當前冷原子前沿的專業書。該書受眾不僅限於冷原子方向，也包括精密測量、量子資訊等方向的人員。我認為，該書很適合大三至博士階段在量子技術方向從事科研的學生閱讀。它既可以作為量子統計、冷原子物理等相關課程的參考書，也是同學們完成科研課題過程中的好幫手。為此，我很高興為廣大讀者推薦此書。
陳徐宗
北京大學
2023 年9 月
感謝陳徐宗教授和陳帥教授在閱讀本書初稿時給予的認可與支持。感謝Laurent Sanchez-Palencia 教授(法國)、Hélène Perrin 教授(法國)、Hanns-Christoph Nägerl 教授(奧地利)、Thierry Giamarchi 教授(瑞士) 在與作者近幾年的科研合作中對一些冷原子基礎知識的深入討論，這使得我們能夠在一些問題上可以闡述更有深度的見解。
本書由姚和朋、郭彥良、王波濤、姚智斌共同撰寫，其中姚和朋和郭彥良為主要作者。在完成本書的過程中，我們也得到很多當時同是在海外從事冷原子研究的青年科研人員的大力支持，在這些探討交流的過程中，我們發現幾乎所有在海外求學的青年科研人員(當然也包括我們自己在內) 都十分惦念祖國的科技發展，也都想著有朝一日能為此盡自己的一份力量。這種情懷和共識讓我們感動，給我們更多力量來把這本書做得更好，同時也讓我們對祖國未來在量子物理等前沿科學的發展充滿信心和期待。
本文摘編自【冷原子物理與低維量子氣體】（姚和朋等著. 北京：科學出版社, 2024.3）一書「前言」「序」，有刪減修改，標題為編者所加。
（21 世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書）
「十四五」時期國家重點出版物出版專項規劃專案
ISBN 978-7-03-078243-4
責任編輯: 錢 俊 陳艷峰 崔慧嫻
本書內容結合了近三十年國內外冷原子領域研究熱點。前兩章回顧了近代冷原子物理的發展歷程，簡要地總結了冷原子領域的常用基礎知識。第三章至第七章，講解了一、二維量子氣體的基礎理論知識體系與常用模型，並介紹了一些當下領域內的熱門研究方向，如量子拓撲、多體局域化、量子渦旋等。第八章討論了冷原子系統如何為量子資訊、精密測量等前沿熱點套用研究提供重要支持。作者結合自己的科研成果，透過對國內外代表性參考書、綜述文章的總結以及與多位國際知名教授深入探討，提煉出冷原子與低維量子氣體前沿內容的核心知識點，並深入淺出地介紹給讀者。
本書可供冷原子以及量子物理相關領域的學生學習使用，也可供相關領域的研究者閱讀參考。
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