Fizicienii de la MIT folosesc proprietatea atomică fundamentală pentru a transforma materia în invizibilă

Cum devin invizibili atomii ultradenși și ultrareci

Un nou studiu confirmă că atunci când atomii sunt răciți și comprimați la extrem, capacitatea lor de a împrăștia lumina este suprimată.

acea porumbElectronii sunt aranjați în învelișuri energetice. Asemenea concertelor dintr-o arenă, fiecare electron ocupă un scaun și nu poate coborî la un nivel inferior dacă toate scaunele sale sunt ocupate. Această proprietate fundamentală a fizicii atomice este cunoscută sub numele de principiul excluderii Pauli și explică structura învelișurilor atomilor, diversitatea tabelului periodic al elementelor și stabilitatea universului fizic.

în prezent, Cu Fizicienii au observat principiul excluderii Pauli, sau excluderea Pauli, într-un mod cu totul nou: ei descoperă că efectul poate bloca modul în care un nor de atomi împrăștie lumina.

În mod normal, când fotonii de lumină pătrund într-un nor de atomi, fotonii și atomii se pot împrăștia ca niște mingi de biliard, împrăștiind lumina în toate direcțiile pentru a radia lumina, făcând astfel norul vizibil. Cu toate acestea, echipa MIT a remarcat că atunci când atomii sunt suprarăciți și ultra-storsi, efectul Pauli se activează și particulele au mai puțin spațiu pentru a împrăștia lumina. În schimb, fotonii curg prin el fără a fi împrăștiați.

Principiul interzicerii Pauli poate fi ilustrat printr-o analogie cu oamenii care umplu locurile din piață. Fiecare persoană reprezintă un atom, în timp ce fiecare scaun reprezintă o stare cuantică. La temperaturi mai ridicate (a), atomii stau aleatoriu, astfel încât fiecare particulă să poată împrăștia lumina. La temperaturi mai scăzute (b), atomii se adună. Doar cei cu mai mult spațiu lângă margine pot împrăștia lumina. Credit: Amabilitatea cercetătorilor

Fizicienii în experimentele lor au observat acest efect într-un nor de atomi de litiu. Pe măsură ce a devenit mai rece și mai densă, atomii au împrăștiat mai puțină lumină și au devenit treptat mai opace. Cercetătorii cred că dacă pot împinge condițiile mai departe, până la temperaturi de până la zero absolut, norul va deveni complet invizibil.

Rezultatele echipei au fost raportate astăzi la Ştiinţă, reprezintă prima observație a efectului de blocare Pauli asupra împrăștierii luminii de către atomi. Acest efect a fost prezis acum 30 de ani, dar nu a fost observat până acum.

Wolfgang Ketterle, profesor de fizică la John D. „Ceea ce am observat este o formă foarte specială și simplă de blocare Pauli, și anume că blochează atomul de ceea ce toți atomii fac în mod natural: împrăștierea luminii. Aceasta este prima observație clară a existenței acestui efect și arată un nou fenomen în fizică.”

Co-autorii lui Ketterle sunt autorul principal și fostul post-doctorat MIT Yair Margalit, studentul absolvent Yu-kun Lu și Furkan Top PhD ’20. Echipa aparține Departamentului de Fizică al MIT, Centrului Harvard pentru Atomi Ultrareci și Laboratorului de Electronică de Cercetare (RLE) al MIT.

lovitura usoara

Când Ketterle a venit la MIT ca post-doctorat în urmă cu 30 de ani, mentorul său David Pritchard, Cecil și profesorul de fizică Ida Green, Ida Green, au prezis că blocarea lui Pauli va atenua modul în care anumiți atomi cunoscuți sub numele de fermioni împrăștie lumina.

Ideea lui, în general, a fost că, dacă atomii ar fi înghețați până aproape de completare și comprimați într-un spațiu suficient de îngust, atomii s-ar comporta ca niște electroni în învelișuri de energie împachetate, fără spațiu pentru a-și schimba viteza sau poziția. Dacă fotonii de lumină ar curge, ei nu s-ar putea împrăștia.

Yu-Kun Lu, un student absolvent, aliniază optica pentru a observa împrăștierea luminii din norii de atomi ultra-reci. Credit: Amabilitatea cercetătorilor

„Un atom poate împrăștia un foton doar dacă poate absorbi forța loviturii sale, deplasându-se pe alt scaun”, explică Ketterle, citând analogia stării într-un inel. „Dacă toate celelalte scaune sunt ocupate, ele nu vor avea capacitatea de a absorbi lovitura și de a împrăștia fotonii. Prin urmare, atomii devin transparenți.”

„Acest fenomen nu a fost observat înainte, deoarece oamenii nu au reușit să formeze nori suficient de reci și suficient de denși”, adaugă Ketterle.

„Dominarea lumii atomice”

În ultimii ani, fizicienii, inclusiv cei din grupul lui Ketterle, au dezvoltat tehnici magnetice bazate pe laser pentru a reduce atomii la temperaturi extrem de scăzute. El spune că factorul limitativ a fost densitatea.

„Dacă densitatea nu este suficient de mare, atomul poate încă împrăștia lumina sărind peste câteva locuri până când găsește spațiu”, spune Ketterle. „Asta a fost blocajul”.

În noul lor studiu, el și colegii săi au folosit tehnici dezvoltate anterior pentru a îngheța mai întâi un nor de fermioni – în acest caz, un izotop special al atomului de litiu, care are trei electroni, trei protoni și trei neutroni. Ei îngheață un nor de atomi de litiu până la 20 de microkelvin, adică aproximativ 1/10000 de temperatura spațiului interstelar.

„Am folosit apoi un laser foarte focalizat pentru a comprima atomii ultra-reci pentru a înregistra densități de aproximativ un cvadrilion de atomi pe centimetru cub”, explică Lu.

Cercetătorii au strălucit apoi un alt fascicul laser în nor, calibrându-l cu atenție, astfel încât fotonii săi să nu încălzească atomii foarte reci și să nu le modifice intensitatea pe măsură ce lumina trecea prin ei. În cele din urmă, au folosit un obiectiv și o cameră pentru a captura și număra fotonii care au reușit să se împrăștie.

„Numărăm de fapt câteva sute de fotoni, ceea ce este cu adevărat uimitor”, spune Margalit. „Un foton este o cantitate mică de lumină, dar dispozitivele noastre sunt atât de sensibile încât îl putem vedea ca un punct mic de lumină pe o cameră.”

La temperaturi din ce în ce mai scăzute și la intensitate mai mare, atomii împrăștie din ce în ce mai puțină lumină, așa cum a prezis teoria lui Pritchard. La cea mai rece, la aproximativ 20 de microkelvin, atomii erau cu 38% mai slabi, ceea ce înseamnă că împrăștie cu 38% mai puțină lumină decât atomii mai reci și mai puțin intensi.

„Acest sistem de nori foarte reci și foarte denși are alte efecte care ne pot păcăli”, spune Margalit. „Așa că am petrecut câteva luni bune analizând aceste efecte și lăsându-le deoparte, pentru a obține cea mai clară măsurătoare.”

Acum, că echipa a observat că blocarea lui Pauli poate afecta de fapt capacitatea atomului de a împrăștia lumina, Ketterle spune că aceste cunoștințe de bază pot fi folosite pentru a dezvolta materiale cu difuzie suprimată a luminii, de exemplu pentru a păstra datele în calculatoarele cuantice.

„Când controlăm lumea cuantică, ca în computerele cuantice, împrăștierea luminii este o problemă și înseamnă că informațiile se scurg din computerul tău cuantic”, reflectă el. „Acesta este o modalitate de a suprima împrăștierea luminii și contribuim la ideea generală de a controla lumea atomică”.

Referință: „Pauli blocking light scattering in degenerate fermions” de Yair Margalit, Yu-Kun Lo și Furkan Shagri-Top și Wolfgang Ketterle, 18 noiembrie 2021 Disponibil aici. Ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Această cercetare a fost finanțată parțial de Fundația Națională pentru Știință și de Departamentul Apărării. Lucrări conexe ale echipelor de la Universitatea din Colorado și Universitatea din Otago apar în același număr al Ştiinţă.