Jak ultrazimne, ultragęste atomy stają się niewidoczne?

Elektrony atomu ułożone są w powłokach energetycznych. Jak uczestnicy koncertu na arenie, każdy elektron zajmuje jedno krzesło i nie może zejść na niższy poziom, jeśli wszystkie jego krzesła są zajęte. Ta podstawowa właściwość fizyki atomowej jest znana jako zasada wykluczania Pauliego i wyjaśnia strukturę otoczek atomów, zróżnicowanie układu okresowego pierwiastków oraz stabilność fizycznego wszechświata.

Teraz fizycy z MIT zaobserwowali zasadę wykluczenia Pauliego w zupełnie nowy sposób: odkryli, że efekt może tłumić rozpraszanie światła przez chmurę atomów.

Normalnie, gdy fotony światła przenikają przez chmurę atomów, fotony i atomy mogą rozpraszać się jak kule bilardowe, rozpraszając światło w każdym kierunku, aby promieniować światłem, dzięki czemu chmura jest widoczna. Zespół z MIT zauważył jednak, że gdy atomy są przechłodzone i bardzo ściśnięte, pojawia się efekt Pauliego i cząstki mają mniej miejsca na rozpraszanie światła. Zamiast tego przepływają przez nią fotony bez rozpraszania się.

Fizycy w swoich eksperymentach zaobserwowali ten efekt w chmurze atomów litu. W miarę, jak stawało się chłodniejsze i gęstsze, atomy rozpraszały mniej światła i stopniowo stawały się bardziej nieprzejrzyste. Naukowcy są przekonani, że gdyby udało im się popchnąć warunki jeszcze dalej, do temperatur zera absolutnego, chmura stałaby się całkowicie niewidoczna.

Wyniki zespołu, opublikowane dzisiaj w Science, stanowią pierwszą obserwację wpływu przechwycenia Pauliego na rozpraszanie światła przez atomy. Efekt ten przewidziano 30 lat temu, ale nie zaobserwowano go do tej pory.

Wolfgang Ketterle, profesor fizyki w John D. „To, co zaobserwowaliśmy, jest bardzo szczególną i prostą formą blokowania Pauliego, która polega na tym, że blokuje atom przed tym, co wszystkie atomy robią naturalnie: rozpraszaniem światła. Jest to pierwsza wyraźna obserwacja istnienia tego efektu i to pokazuje nowe zjawisko w fizyce.”

Współautorami Ketterle są główny autor i były podoktor MIT Yair Margalit, absolwent Yu-kun Lu i Furkan Top PhD ’20. Zespół należy do Departamentu Fizyki MIT, Harvard Center for Ultracold Atoms oraz Research Electronics Laboratory (RLE) MIT.

lekki kopniak

Kiedy Ketterle przybył do MIT jako postdoc 30 lat temu, jego mentor David Pritchard, profesor fizyki w Cecil i Ida Green, przewidział, że blokowanie przez Pauliego będzie tłumić sposób, w jaki niektóre atomy rozpraszają światło znane jako fermiony.

Ogólnie jego pomysł polegał na tym, że gdyby atomy zostały zamrożone do niemal całkowitego zatrzymania i skompresowane do wystarczająco wąskiej przestrzeni, atomy zachowywałyby się jak elektrony w upakowanych powłokach energetycznych, bez możliwości zmiany ich prędkości lub położenia. Gdyby fotony światła płynęły, nie byłyby w stanie się rozproszyć.

„Atom może rozproszyć foton tylko wtedy, gdy może pochłonąć siłę swojego kopnięcia, przenosząc się na inne krzesło”, wyjaśnia Ketterle, powołując się na analogię siedzenia w pierścieniu. „Jeśli wszystkie inne krzesła są zajęte, nie będą w stanie zaabsorbować kopnięcia i rozproszyć fotonu. Dlatego atomy stają się przezroczyste.”

„Zjawisko to nie było wcześniej obserwowane, ponieważ ludzie nie byli w stanie uformować wystarczająco zimnych i gęstych chmur” – dodaje Ketterle.

„Dominacja świata atomowego”

W ostatnich latach fizycy, w tym ci z grupy Ketterle’a, opracowali laserowe techniki magnetyczne do obniżania atomów do ekstremalnie niskich temperatur. Mówi, że czynnikiem ograniczającym była gęstość.

„Jeśli gęstość nie jest wystarczająco wysoka, atom nadal może rozpraszać światło, przeskakując nad kilkoma siedzeniami, aż znajdzie trochę miejsca” – mówi Ketterle. „To było wąskie gardło”.

W swoich nowych badaniach on i jego koledzy zastosowali wcześniej opracowane techniki, aby najpierw zamrozić chmurę fermionów – w tym przypadku specjalnego izotopu atomu litu, który ma trzy elektrony, trzy protony i trzy neutrony. Zamrażają chmurę atomów litu do 20 mikrokelwinów, czyli około 1/10 000 temperatury przestrzeni międzygwiazdowej.

„Następnie użyliśmy silnie zogniskowanego lasera, aby skompresować ultrazimne atomy, aby zarejestrować gęstość około biliarda atomów na centymetr sześcienny” – wyjaśnia Lu.

Następnie naukowcy skierowali kolejną wiązkę lasera w obłok, starannie kalibrując go tak, aby fotony nie nagrzewały bardzo zimnych atomów ani nie zmieniały ich intensywności w miarę przechodzenia przez nie światła. Na koniec użyli obiektywu i aparatu do uchwycenia i zliczenia fotonów, które zdołały się rozproszyć.

„Właściwie liczymy kilkaset fotonów, co jest naprawdę niesamowite” – mówi Margalit. „Foton to niewielka ilość światła, ale nasze urządzenia są tak czułe, że widzimy go jako maleńki punkt świetlny w aparacie”.

Przy coraz niższych temperaturach i większej intensywności atomy rozpraszają coraz mniej światła, tak jak przewidywała teoria Pritcharda. W najzimniejszym stanie, około 20 mikrokelwinów, atomy były o 38 procent słabsze, co oznacza, że ​​rozpraszały o 38 procent mniej światła niż chłodniejsze, mniej intensywne atomy.

„Ten system bardzo zimnych, bardzo gęstych chmur ma inne efekty, które mogą nas oszukać” – mówi Margalit. „Więc spędziliśmy dobre kilka miesięcy przesiewając te efekty i odkładając je na bok, aby uzyskać jak najjaśniejszy pomiar”.

Teraz, gdy zespół zaobserwował, że blokowanie Pauliego może w rzeczywistości wpływać na zdolność atomu do rozpraszania światła, Ketterle twierdzi, że tę podstawową wiedzę można wykorzystać do opracowania materiałów z tłumionym rozpraszaniem światła, na przykład do przechowywania danych w komputerach kwantowych.

„Kiedy kontrolujemy świat kwantowy, tak jak w komputerach kwantowych, problemem jest rozpraszanie światła, co oznacza, że ​​informacje wyciekają z komputera kwantowego” — zastanawia się. „To jeden ze sposobów tłumienia rozpraszania światła i przyczyniamy się do ogólnej idei kontrolowania świata atomowego”.

Badania te były częściowo finansowane przez Narodową Fundację Nauki i Departament Obrony. Pokrewne prace zespołów z University of Colorado i University of Otago pojawiają się w tym samym numerze czasopisma Science.