Физики из Массачусетского технологического института используют фундаментальное свойство атома, чтобы превращать материю в невидимую

Новое исследование подтверждает, что когда атомы охлаждают и сжимают до предела, их способность рассеивать свет подавляется. Предоставлено: Кристен Данилов, Массачусетский технологический институт.

Как сверхплотные и ультрахолодные атомы становятся невидимыми

Новое исследование подтверждает, что когда атомы охлаждают и сжимают до предела, их способность рассеивать свет подавляется.

что кукурузаЭлектроны расположены в энергетических оболочках. Подобно участникам концертов на арене, каждый электрон занимает один стул и не может опуститься на более низкий уровень, если все его стулья заняты. Это фундаментальное свойство атомной физики, известное как принцип исключения Паули, объясняет структуру оболочек атомов, разнообразие периодической таблицы элементов и стабильность физической Вселенной.

В данный момент, С участием Физики наблюдали принцип исключения Паули или исключения Паули совершенно по-новому: они обнаружили, что этот эффект может блокировать то, как облако атомов рассеивает свет.

Обычно, когда фотоны света проникают через облако атомов, фотоны и атомы могут рассеиваться, как бильярдные шары, рассеивая свет во всех направлениях, чтобы излучать свет, делая облако видимым. Однако команда Массачусетского технологического института отметила, что, когда атомы переохлаждены и сверхсжаты, возникает эффект Паули, и у частиц остается меньше места для рассеивания света. Вместо этого фотоны проходят через него, не рассеиваясь.

Принцип запрета Паули можно проиллюстрировать аналогией с людьми, которые занимают места на площади. Каждый человек представляет собой атом, а каждое сиденье представляет собой квантовое состояние. При более высоких температурах (а) атомы располагаются беспорядочно, так что каждая частица может рассеивать свет. При более низких температурах (б) атомы слипаются. Только те, у кого больше места у края, могут рассеивать свет. Кредит: Предоставлено исследователями

Физики в своих экспериментах наблюдали этот эффект в облаке атомов лития. По мере того, как он становился все холоднее и плотнее, атомы рассеивали меньше света и постепенно становились более непрозрачными. Исследователи полагают, что если они смогут расширить условия до температуры до абсолютный ноль, облако станет полностью невидимым.

Результаты команды были доложены сегодня на Наука, представляет собой первое наблюдение эффекта блокировки Паули при рассеянии света атомами. Этот эффект был предсказан 30 лет назад, но не наблюдался до сих пор.

Вольфганг Кеттерле, профессор физики в Университете Джона Д. «Мы наблюдали очень особую и простую форму блокировки Паули, которая заключается в том, что она блокирует атом от того, что все атомы делают естественным образом: от рассеяния света. Это первое четкое наблюдение существования этого эффекта, и оно показывает новое явление в физике ».

Соавторы Кеттерле — ведущий автор и бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института Яир Маргалит, аспирант Ю-кун Лу и Фуркан, получивший степень доктора философии ’20. Команда принадлежит отделу физики Массачусетского технологического института, Гарвардскому центру ультрахолодных атомов при Массачусетском технологическом институте и лаборатории исследовательской электроники (RLE) Массачусетского технологического института.

легкий удар

Когда 30 лет назад Кеттерле пришел в Массачусетский технологический институт в качестве постдока, его наставники Дэвид Причард, Сесил и Ида Грин, профессор физики Ида Грин, предсказали, что блокировка Паули ослабит способ рассеивания света некоторыми атомами, известными как фермионы.

Его идея, в общем, заключалась в том, что если атомы были бы заморожены до почти полной остановки и сжаты в достаточно узкое пространство, атомы вели бы себя как электроны в упакованных энергетических оболочках, без возможности изменить свою скорость или положение. Если бы фотоны света текли, они не могли бы рассеяться.

Ю-Кун Лу, аспирант, настраивает оптику, чтобы наблюдать за рассеянием света от сверххолодных атомных облаков. Кредит: Предоставлено исследователями

«Атом может рассеять фотон, только если он может поглотить силу своего удара, переместившись на другой стул», — объясняет Кеттерле, приводя аналогию с сидением в кольце. «Если все остальные стулья будут заняты, они не смогут поглотить удар и рассеять фотон. Следовательно, атомы станут прозрачными».

«Это явление не наблюдалось раньше, потому что люди не могли образовывать достаточно холодные и достаточно плотные облака», — добавляет Кеттерле.

«Господство над атомным миром»

В последние годы физики, в том числе члены группы Кеттерле, разработали лазерные магнитные методы для понижения температуры атомов до чрезвычайно низких температур. По его словам, ограничивающим фактором была плотность.

«Если плотность недостаточно высока, атом все еще может рассеивать свет, перепрыгивая через несколько мест, пока не найдет место», — говорит Кеттерле. «Это было узкое место».

В своем новом исследовании он и его коллеги использовали ранее разработанные методы, чтобы сначала заморозить облако фермионов — в данном случае особый изотоп атома лития, который имеет три электрона, три протона и три нейтрона. Они замораживают облако атомов лития до 20 микрокельвинов, что составляет примерно 1/10 000 температуры межзвездного пространства.

«Затем мы использовали сильно сфокусированный лазер, чтобы сжать сверххолодные атомы, чтобы зафиксировать плотность около квадриллиона атомов на кубический сантиметр», — объясняет Лу.

Затем исследователи направили в облако еще один лазерный луч, тщательно калибруя его так, чтобы его фотоны не нагревали очень холодные атомы и не меняли их интенсивность при прохождении света через них. Наконец, они использовали объектив и камеру для захвата и подсчета фотонов, которым удалось рассеяться.

«Мы действительно считаем несколько сотен фотонов, и это действительно потрясающе», — говорит Маргалит. «Фотон — это крошечное количество света, но наши устройства настолько чувствительны, что мы можем видеть его как крошечную световую точку на камере».

При все более низких температурах и большей интенсивности атомы рассеивают все меньше и меньше света, как и предсказывала теория Притчарда. В самом холодном состоянии, около 20 микрокельвин, атомы были на 38 процентов слабее, что означает, что они рассеивают на 38 процентов меньше света, чем более холодные и менее интенсивные атомы.

«Эта система очень холодных и очень плотных облаков имеет и другие эффекты, которые могут нас обмануть», — говорит Маргалит. «Поэтому мы потратили несколько месяцев на то, чтобы проанализировать эти эффекты и отложить их в сторону, чтобы получить наиболее четкое измерение».

Теперь, когда команда заметила, что блокировка Паули может фактически повлиять на способность атома рассеивать свет, Кеттерле говорит, что эти базовые знания можно использовать для разработки материалов с подавленным светорассеянием, например, для сохранения данных в квантовых компьютерах.

«Когда мы управляем квантовым миром, как в квантовых компьютерах, рассеяние света становится проблемой, и это означает, что информация утекает из вашего квантового компьютера», — размышляет он. «Это один из способов подавить рассеяние света, и мы вносим свой вклад в общую идею управления атомным миром».

Ссылка: «Паули, блокирующий рассеяние света в вырожденных фермионах» Яира Маргалита, Ю-Кун Ло и Фуркана Шагри-Топа и Вольфганга Кеттерле, 18 ноября 2021 г. Доступно здесь. Наука.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом и Министерством обороны. Связанная работа команд из Университета Колорадо и Университета Отаго опубликована в том же номере журнала. Наука.