Ako sa ultrahusté a ultrachladné atómy stávajú neviditeľnými

Nová štúdia potvrdzuje, že keď sú atómy ochladzované a extrémne stlačené, ich schopnosť rozptyľovať svetlo je potlačená.

že kukuricaElektróny sú usporiadané v energetických obaloch. Ako návštevníci koncertov v aréne, každý elektrón zaberá jedno kreslo a nemôže zostúpiť na nižšiu úroveň, ak sú obsadené všetky jeho kreslá. Táto základná vlastnosť atómovej fyziky je známa ako Pauliho vylučovací princíp a vysvetľuje štruktúru obalov atómov, rozmanitosť periodickej tabuľky prvkov a stabilitu fyzického vesmíru.

momentálne, S Fyzici pozorovali Pauliho princíp vylúčenia alebo Pauliho vylúčenie úplne novým spôsobom: zistili, že tento efekt môže blokovať spôsob, akým oblak atómov rozptyľuje svetlo.

Normálne, keď fotóny svetla preniknú oblakom atómov, fotóny a atómy sa môžu rozptýliť ako biliardové gule, rozptyľovať svetlo všetkými smermi, aby vyžarovali svetlo, čím sa oblak stáva viditeľným. Tím MIT však poznamenal, že keď sú atómy podchladené a ultra stlačené, naštartuje sa Pauliho efekt a častice majú menej priestoru na rozptýlenie svetla. Namiesto toho cez ňu pretekajú fotóny bez toho, aby boli rozptýlené.

Princíp Pauliho zákazu možno ilustrovať analógiou k ľuďom, ktorí zapĺňajú miesta na námestí. Každá osoba predstavuje atóm, zatiaľ čo každé sedadlo predstavuje kvantový stav. Pri vyšších teplotách (a) sedia atómy náhodne, takže každá častica môže rozptyľovať svetlo. Pri nižších teplotách (b) sa atómy zhlukujú. Rozptyľovať svetlo môžu len tí, ktorí majú viac priestoru pri okraji. Kredit: S láskavým dovolením výskumníkov

Fyzici vo svojich experimentoch pozorovali tento efekt v oblaku atómov lítia. Ako sa ochladzovalo a zhusťovalo, atómy rozptyľovali menej svetla a postupne sa stávali nepriehľadnejšími. Vedci sa domnievajú, že ak dokážu posunúť podmienky ďalej, až na teploty až absolútna nula, oblak sa stane úplne neviditeľným.

Výsledky tímu boli vyhlásené dnes o Veda, predstavuje prvé pozorovanie Pauliho blokujúceho efektu na rozptyl svetla atómami. Tento efekt bol predpovedaný pred 30 rokmi, ale doteraz nebol pozorovaný.

Wolfgang Ketterle, profesor fyziky na John D. „To, čo sme pozorovali, je veľmi špeciálna a jednoduchá forma Pauliho blokovania, ktorá spočíva v tom, že blokuje atóm pred tým, čo všetky atómy robia prirodzene: rozptylom svetla. Toto je prvé jasné pozorovanie existencie tohto efektu a ukazuje nový fenomén vo fyzike.“

Ketterleho spoluautormi sú hlavný autor a bývalý postdoktorandský výskumník MIT Yair Margalit, postgraduálny študent Yu-kun Lu a Furkan Top PhD ’20. Tím patrí do Katedry fyziky MIT, Harvardského centra pre ultrachladné atómy na MIT a Výskumného elektronického laboratória MIT (RLE).

ľahký kop

Keď Ketterle pred 30 rokmi prišiel na MIT ako postdoktorand, jeho mentor David Pritchard, Cecil a profesorka fyziky Ida Green Ida Green predpovedali, že Pauliho blokovanie stlmí spôsob, akým určité atómy známe ako fermióny rozptyľujú svetlo.

Jeho predstava vo všeobecnosti bola taká, že ak by sa atómy takmer úplne zastavili a stlačili do dostatočne úzkeho priestoru, atómy by sa správali ako elektróny v obalených energetických obaloch bez priestoru na zmenu ich rýchlosti alebo polohy. Ak by fotóny svetla prúdili, nemohli by sa rozptýliť.

Yu-Kun Lu, postgraduálny študent, zarovnáva optiku, aby pozoroval rozptyl svetla z ultra chladných atómových oblakov. Kredit: S láskavým dovolením výskumníkov

„Atóm môže rozptýliť fotón iba vtedy, ak dokáže absorbovať silu svojho kopnutia tým, že sa presunie na inú stoličku,“ vysvetľuje Ketterle a cituje analógiu sedenia v kruhu. „Ak sú všetky ostatné stoličky obsadené, nebudú mať schopnosť absorbovať kopnutie a rozptýliť fotón. Preto sa atómy stanú priehľadnými.“

„Tento jav nebol doteraz pozorovaný, pretože ľudia nedokázali vytvárať oblaky, ktoré by boli dostatočne chladné a dostatočne husté,“ dodáva Ketterle.

„Dominancia atómového sveta“

V posledných rokoch fyzici vrátane tých v Ketterleho skupine vyvinuli laserové magnetické techniky na zníženie atómov na extrémne nízke teploty. Hovorí, že limitujúcim faktorom bola hustota.

„Ak hustota nie je dostatočne vysoká, atóm môže stále rozptyľovať svetlo preskakovaním cez niekoľko sedadiel, kým nenájde nejaký priestor,“ hovorí Ketterle. „To bola prekážka.“

Vo svojej novej štúdii on a jeho kolegovia použili predtým vyvinuté techniky na prvé zmrazenie oblaku fermiónov – v tomto prípade špeciálneho izotopu atómu lítia, ktorý má tri elektróny, tri protóny a tri neutróny. Zmrazujú oblak atómov lítia až na 20 mikrokelvinov, čo je asi 1/10 000 teploty medzihviezdneho priestoru.

„Potom sme použili vysoko zaostrený laser na kompresiu ultrachladných atómov, aby sme zaznamenali hustoty približne kvadrilión atómov na kubický centimeter,“ vysvetľuje Lu.

Výskumníci potom zažiarili ďalším laserovým lúčom do oblaku a starostlivo ho kalibrovali tak, aby jeho fotóny nezohrievali veľmi studené atómy a nezmenili ich intenzitu, keď cez ne prechádzalo svetlo. Nakoniec pomocou objektívu a fotoaparátu zachytili a spočítali fotóny, ktoré sa im podarilo rozptýliť.

„V skutočnosti počítame niekoľko stoviek fotónov, čo je naozaj úžasné,“ hovorí Margalit. „Fotón je malé množstvo svetla, ale naše zariadenia sú také citlivé, že ho môžeme vidieť ako malý bod svetla na kamere.“

Pri postupne nižších teplotách a vyššej intenzite rozptyľujú atómy stále menej svetla, presne ako to predpovedala Pritchardova teória. V najchladnejšom čase, pri asi 20 mikrokelvinoch, boli atómy o 38 percent slabšie, čo znamená, že rozptyľujú o 38 percent menej svetla ako chladnejšie, menej intenzívne atómy.

„Tento systém veľmi studených, veľmi hustých oblakov má ďalšie účinky, ktoré nás môžu oklamať,“ hovorí Margalit. „Takže sme strávili pekných pár mesiacov preosievaním týchto účinkov a ich odkladaním, aby sme získali čo najjasnejšie meranie.“

Teraz, keď tím zistil, že Pauliho blokovanie môže skutočne ovplyvniť schopnosť atómu rozptýliť svetlo, Ketterle hovorí, že tieto základné poznatky možno použiť na vývoj materiálov s potlačeným rozptylom svetla, napríklad na zachovanie údajov v kvantových počítačoch.

„Keď ovládame kvantový svet, ako v kvantových počítačoch, problémom je rozptyl svetla, čo znamená, že z vášho kvantového počítača unikajú informácie,“ uvažuje. „Toto je jeden zo spôsobov, ako potlačiť rozptyl svetla a prispievame k všeobecnej myšlienke kontroly atómového sveta.“

Odkaz: „Pauli blokuje rozptyl svetla v degenerovaných fermionoch“ Autori Yair Margalit, Yu-Kun Lo, Furkan Shagri-top a Wolfgang Ketterle, 18. novembra 2021, k dispozícii tu. Veda.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Tento výskum bol čiastočne financovaný Národnou vedeckou nadáciou a ministerstvom obrany. Súvisiace práce tímov z University of Colorado a University of Otago sa objavujú v rovnakom vydaní Veda.