Làm thế nào các nguyên tử siêu đặc và cực lạnh trở nên vô hình

Một nghiên cứu mới khẳng định rằng khi các nguyên tử bị làm lạnh và nén đến cực điểm, khả năng tán xạ ánh sáng của chúng sẽ bị triệt tiêu.

điều đó NgôCác electron được sắp xếp trong các lớp vỏ năng lượng. Giống như những người xem hòa nhạc trong một đấu trường, mỗi electron chiếm một chiếc ghế và không thể đi xuống tầng thấp hơn nếu tất cả các ghế của nó đã bị chiếm hết. Tính chất cơ bản này của vật lý nguyên tử được gọi là nguyên lý loại trừ Pauli, và nó giải thích cấu trúc của các lớp vỏ nguyên tử, sự đa dạng của bảng tuần hoàn các nguyên tố và sự ổn định của vũ trụ vật chất.

hiện nay, Với Các nhà vật lý học đã quan sát nguyên lý loại trừ Pauli, hay loại trừ Pauli, theo một cách hoàn toàn mới: họ phát hiện ra rằng hiệu ứng này có thể chặn cách một đám mây nguyên tử phân tán ánh sáng.

Thông thường, khi các photon ánh sáng xuyên qua một đám mây nguyên tử, các photon và nguyên tử có thể tán xạ giống như quả bóng bi-a, tán xạ ánh sáng theo mọi hướng để bức xạ ánh sáng, do đó làm cho đám mây có thể nhìn thấy được. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của MIT lưu ý rằng khi các nguyên tử được làm siêu lạnh và siêu ép, hiệu ứng Pauli sẽ phát huy tác dụng và các hạt có ít chỗ hơn để tán xạ ánh sáng. Thay vào đó, các photon chạy qua nó mà không bị phân tán.

Nguyên tắc Cấm của Pauli có thể được minh họa bằng một phép tương tự với những người lấp đầy các chỗ ngồi trong quảng trường. Mỗi người đại diện cho một nguyên tử, trong khi mỗi chỗ ngồi đại diện cho một trạng thái lượng tử. Ở nhiệt độ cao hơn (a), các nguyên tử ngồi ngẫu nhiên, để mỗi hạt có thể tán xạ ánh sáng. Ở nhiệt độ thấp hơn (b), các nguyên tử kết tụ lại với nhau. Chỉ những nơi có nhiều khoảng trống hơn gần mép mới có thể tán xạ ánh sáng. Tín dụng: Được phép của các nhà nghiên cứu

Các nhà vật lý trong các thí nghiệm của họ đã quan sát thấy hiệu ứng này trong một đám mây nguyên tử liti. Khi nó trở nên lạnh hơn và đặc hơn, các nguyên tử phân tán ít ánh sáng hơn và dần trở nên mờ đục hơn. Các nhà nghiên cứu tin rằng nếu họ có thể đẩy các điều kiện đi xa hơn, nhiệt độ lên đến không tuyệt đối, đám mây sẽ trở nên hoàn toàn vô hình.

Kết quả của nhóm đã được báo cáo hôm nay lúc Khoa học, đại diện cho quan sát đầu tiên về hiệu ứng chặn Pauli đối với sự tán xạ ánh sáng của các nguyên tử. Hiệu ứng này đã được dự đoán cách đây 30 năm nhưng vẫn chưa được quan sát thấy cho đến nay.

Wolfgang Ketterle, Giáo sư Vật lý tại John D. “Những gì chúng tôi quan sát được là một dạng chặn Pauli rất đặc biệt và đơn giản, đó là nó chặn nguyên tử khỏi những gì mà tất cả các nguyên tử làm tự nhiên: sự tán xạ ánh sáng. Đây là quan sát rõ ràng đầu tiên về sự tồn tại của hiệu ứng này, và nó cho thấy một hiện tượng mới trong vật lý. ”

Đồng tác giả của Ketterle là tác giả chính và cựu postdoc MIT Yair Margalit, nghiên cứu sinh Yu-kun Lu, và Tiến sĩ hàng đầu Furkan ’20. Nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Vật lý của MIT, Trung tâm Harvard của MIT về Nguyên tử siêu lạnh và Phòng thí nghiệm Điện tử Nghiên cứu (RLE) của MIT.

đá nhẹ

Khi Ketterle đến MIT với tư cách là một postdoc cách đây 30 năm, người cố vấn của anh ấy là David Pritchard, Cecil, và giáo sư vật lý Ida Green, Ida Green, đã dự đoán rằng việc chặn Pauli sẽ làm giảm cách một số nguyên tử được gọi là fermion phân tán ánh sáng.

Nói chung, ý tưởng của ông là nếu các nguyên tử bị đóng băng đến mức gần hoàn thành và bị nén vào một không gian đủ hẹp, các nguyên tử sẽ hoạt động giống như các electron trong lớp vỏ năng lượng đóng gói, không có chỗ để thay đổi tốc độ hoặc vị trí của chúng. Nếu các photon ánh sáng chạy qua, chúng sẽ không thể phân tán.

Yu-Kun Lu, một nghiên cứu sinh, điều chỉnh quang học để quan sát sự tán xạ ánh sáng từ các đám mây nguyên tử cực mát. Tín dụng: Được phép của các nhà nghiên cứu

Ketterle giải thích: “Một nguyên tử chỉ có thể tán xạ một photon nếu nó có thể hấp thụ lực đá của nó, bằng cách di chuyển sang một chiếc ghế khác,” Ketterle giải thích, trích dẫn sự tương tự của việc ngồi trong một chiếc nhẫn. “Nếu tất cả những chiếc ghế khác bị chiếm dụng, chúng sẽ không có khả năng hấp thụ cú đá và phân tán photon. Do đó, các nguyên tử trở nên trong suốt.”

Ketterle cho biết thêm: “Hiện tượng này chưa từng được quan sát trước đây, bởi vì con người chưa thể hình thành những đám mây đủ lạnh và đủ dày đặc.

“Thống trị thế giới nguyên tử”

Trong những năm gần đây, các nhà vật lý bao gồm cả những người trong nhóm Ketterle đã phát triển các kỹ thuật từ tính dựa trên laser để hạ thấp nguyên tử xuống nhiệt độ cực lạnh. Ông nói, yếu tố hạn chế là mật độ.

Ketterle cho biết: “Nếu mật độ không đủ cao, nguyên tử vẫn có thể tán xạ ánh sáng bằng cách nhảy qua một vài chỗ ngồi cho đến khi tìm thấy khoảng trống. “Đó là nút thắt cổ chai.”

Trong nghiên cứu mới của mình, ông và các đồng nghiệp đã sử dụng các kỹ thuật đã phát triển trước đó để đóng băng một đám mây fermion – trong trường hợp này là một đồng vị đặc biệt của nguyên tử lithium, có 3 electron, 3 proton và 3 neutron. Chúng đóng băng một đám mây nguyên tử liti xuống 20 microkelvin, bằng khoảng 1/10000 nhiệt độ của không gian giữa các vì sao.

Lu giải thích: “Sau đó, chúng tôi sử dụng một tia laser hội tụ cao để nén các nguyên tử cực lạnh để ghi lại mật độ khoảng một phần tư triệu nguyên tử trên một cm khối.

Sau đó, các nhà nghiên cứu chiếu một chùm tia laser khác vào đám mây, hiệu chỉnh cẩn thận để các photon của nó không làm nóng các nguyên tử quá lạnh hoặc thay đổi cường độ của chúng khi ánh sáng đi qua chúng. Cuối cùng, họ sử dụng một ống kính và một máy ảnh để chụp và đếm các photon đã phân tán ra xa.

Margalit nói: “Chúng tôi thực sự đang đếm vài trăm photon, điều này thực sự đáng kinh ngạc. “Một photon là một lượng ánh sáng cực nhỏ, nhưng các thiết bị của chúng tôi rất nhạy cảm đến mức chúng tôi có thể xem nó như một điểm sáng nhỏ trên máy ảnh.”

Ở nhiệt độ thấp dần và cường độ cao hơn, các nguyên tử tán xạ ngày càng ít ánh sáng, giống như lý thuyết của Pritchard đã dự đoán. Ở thời điểm lạnh nhất, ở khoảng 20 microkelvin, các nguyên tử yếu hơn 38%, có nghĩa là chúng tán xạ ánh sáng ít hơn 38% so với các nguyên tử lạnh hơn, ít cường độ hơn.

Margalit nói: “Hệ thống những đám mây rất lạnh, rất dày đặc này có những tác động khác có thể đánh lừa chúng ta. “Vì vậy, chúng tôi đã dành một vài tháng để sàng lọc những hiệu ứng này và gạt chúng sang một bên, để có được phép đo rõ ràng nhất.”

Bây giờ nhóm nghiên cứu đã nhận thấy rằng việc chặn Pauli thực sự có thể ảnh hưởng đến khả năng tán xạ ánh sáng của nguyên tử, Ketterle cho biết kiến ​​thức cơ bản này có thể được sử dụng để phát triển các vật liệu có khả năng tán xạ ánh sáng bị triệt tiêu, chẳng hạn như để bảo quản dữ liệu trong máy tính lượng tử.

Ông phản ánh: “Khi chúng ta kiểm soát thế giới lượng tử, cũng như trong máy tính lượng tử, hiện tượng tán xạ ánh sáng là một vấn đề, và nó có nghĩa là thông tin bị rò rỉ ra khỏi máy tính lượng tử của bạn. “Đây là một cách để ngăn chặn sự tán xạ ánh sáng, và chúng tôi đóng góp vào ý tưởng chung về việc kiểm soát thế giới nguyên tử.”

Tham khảo: “Pauli chặn sự tán xạ ánh sáng trong các fermion thoái hóa” của Yair Margalit, Yu-Kun Lo và Furkan Shagri-Top và Wolfgang Ketterle, ngày 18 tháng 11 năm 2021 Có sẵn tại đây. Khoa học.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Quỹ Khoa học Quốc gia và Bộ Quốc phòng. Công việc liên quan của các nhóm từ Đại học Colorado và Đại học Otago xuất hiện trong cùng một số Khoa học.