Нове дослідження підтверджує, що коли атоми охолоджуються і стискаються до крайності, їх здатність розсіювати світло пригнічується. Авторство: Крістен Данілов, MIT
Як надщільні й надхолодні атоми стають невидимими
Нове дослідження підтверджує, що коли атоми охолоджуються і стискаються до крайності, їх здатність розсіювати світло пригнічується.
що кукурудзиЕлектрони розташовані в енергетичних оболонках. Як і відвідувачі концертів на арені, кожен електрон займає одне крісло і не може опуститися на нижчий рівень, якщо всі його крісла зайняті. Ця фундаментальна властивість атомної фізики відома як принцип виключення Паулі, і вона пояснює структуру оболонок атомів, різноманітність періодичної таблиці елементів і стабільність фізичного Всесвіту.
в даний час, З Фізики помітили принцип виключення Паулі або виключення Паулі абсолютно по-новому: вони виявили, що ефект може блокувати розсіювання світла хмарою атомів.
Зазвичай, коли фотони світла проникають через хмару атомів, фотони й атоми можуть розсіюватися, як більярдні кулі, розсіюючи світло в усіх напрямках, щоб випромінювати світло, роблячи хмару видимою. Однак команда Массачусетського технологічного інституту відзначила, що коли атоми переохолоджуються та надто стискаються, спрацьовує ефект Паулі, і частинки мають менше місця для розсіювання світла. Натомість фотони протікають через нього, не розсіюючи.
Принцип заборони Паулі можна проілюструвати аналогією з людьми, які займають місця на площі. Кожна людина представляє атом, а кожне місце представляє квантовий стан. При більш високих температурах (а) атоми розташовані випадковим чином, так що кожна частинка може розсіювати світло. При більш низьких температурах (b) атоми злипаються. Тільки ті, у кого більше місця біля краю, можуть розсіювати світло. Авторство: люб’язно надано дослідниками
Фізики в своїх експериментах спостерігали цей ефект у хмарі атомів літію. Коли він ставав холоднішим і щільнішим, атоми розсіювали менше світла і поступово ставали все більш непрозорими. Дослідники вважають, що якщо вони зможуть розширити умови, то до температури до абсолютний нуль, хмара стане повністю невидимою.
Результати команд оприлюднили сьогодні о наук, являє собою перше спостереження ефекту Паулі-блокування на розсіювання світла атомами. Цей ефект передбачали 30 років тому, але досі його не спостерігали.
Вольфганг Кеттерле, професор фізики в університеті імені Джона Д. «Те, що ми спостерігали, — це дуже особлива і проста форма блокування Паулі, яка полягає в тому, що вона блокує атом від того, що роблять усі атоми природно: розсіювання світла. Це перше чітке спостереження існування цього ефекту, і воно показує нове явище у фізиці».
Співавторами Кеттерле є провідний автор і колишній докторант Массачусетського технологічного інституту Яїр Маргаліт, аспірант Ю-кун Лу і Фуркан Топ PhD ’20. Команда належить до факультету фізики Массачусетського технологічного інституту, Гарвардського центру ультрахолодних атомів Массачусетського технологічного інституту та Дослідницької лабораторії електроніки Массачусетського технологічного інституту (RLE).
легкий удар
Коли Кеттерле прийшов до Массачусетського технологічного інституту в якості постдока 30 років тому, його наставник Девід Прітчард, Сесіл і професор фізики Іда Грін Іда Грін передбачили, що блокування Паулі послабить спосіб розсіювання світла певними атомами, відомими як ферміони.
Його ідея загалом полягала в тому, що якщо атоми заморозити майже до повної зупинки і стиснути в досить вузькому просторі, атоми будуть вести себе як електрони в упакованих енергетичних оболонках, не маючи можливості змінити свою швидкість або положення. Якби фотони світла протікали, вони б не змогли розсіятися.
Ю-Кун Лу, аспірант, вирівнює оптику, щоб спостерігати розсіювання світла від ультрахолодних атомних хмар. Авторство: люб’язно надано дослідниками
«Атом може розсіяти фотон, лише якщо він може поглинути силу удару, перемістившись на інше крісло», — пояснює Кеттерле, посилаючись на аналогію із сидінням у кільці. “Якщо всі інші стільці будуть зайняті, вони не матимуть можливості поглинати удар і розсіювати фотон. Тому атоми стають прозорими”.
«Це явище раніше не спостерігалося, тому що люди не змогли утворити досить холодні й досить щільні хмари», – додає Кеттерле.
«Панування над атомним світом»
В останні роки фізики, включно з тими, хто входить до групи Кеттерле, розробили лазерні магнітні методики для зниження атомів до надзвичайно низьких температур. Він каже, що обмежуючим фактором була щільність.
«Якщо щільність недостатньо висока, атом все одно може розсіювати світло, перестрибуючи через кілька місць, поки не знайде простір», — говорить Кеттерле. «Це було вузьке місце».
У своєму новому дослідженні він і його колеги використали раніше розроблені методики, щоб спочатку заморозити хмару ферміонів – у цьому випадку особливий ізотоп атома літію, який має три електрони, три протони і три нейтрони. Вони заморожують хмару атомів літію до 20 мікрокельвінів, що становить приблизно 1/10 000 температури міжзоряного простору.
«Тоді ми використали високофокусований лазер, щоб стиснути ультрахолодні атоми, щоб зафіксувати щільність близько квадрильйона атомів на кубічний сантиметр», — пояснює Лу.
Потім дослідники направили в хмару інший лазерний промінь, ретельно відкалібрувавши його, щоб його фотони не нагрівали дуже холодні атоми і не змінювали їхню інтенсивність під час проходження світла через них. Нарешті, вони використали об’єктив і камеру, щоб захопити та підрахувати фотони, які встигли розсіятися.
«Насправді ми підраховуємо кілька сотень фотонів, що справді дивовижно», – каже Маргаліт. «Фон — це невелика кількість світла, але наші пристрої настільки чутливі, що ми можемо бачити його як крихітну точку світла на камері».
При поступово нижчих температурах і вищій інтенсивності атоми розсіюють все менше світла, як і передбачала теорія Прітчарда. На найхолоднішому рівні, близько 20 мікрокельвінів, атоми були на 38 відсотків слабкішими, що означає, що вони розсіюють на 38 відсотків менше світла, ніж більш холодні, менш інтенсивні атоми.
«Ця система дуже холодних, дуже щільних хмар має інші ефекти, які можуть обдурити нас», — каже Маргаліт. «Отже, ми витратили кілька місяців на перевірку цих ефектів і відкладаючи їх, щоб отримати найточніші вимірювання».
Тепер, коли команда помітила, що блокування Паулі насправді може вплинути на здатність атома розсіювати світло, Кеттерле каже, що ці базові знання можна використовувати для розробки матеріалів з пригніченим світлорозсіюванням, наприклад, для збереження даних у квантових комп’ютерах.
«Коли ми контролюємо квантовий світ, як у квантових комп’ютерах, розсіювання світла є проблемою, а це означає, що інформація витікає з вашого квантового комп’ютера», — розмірковує він. «Це один із способів придушити розсіювання світла, і ми вносимо свій внесок у загальну ідею контролю над атомним світом».
Довідка: «Паулі, що блокує розсіювання світла у вироджених ферміонах» Яір Маргаліт, Ю-Кун Ло, Фуркан Шагрі-топ і Вольфганг Кеттерле, 18 листопада 2021 року, доступно тут. наук.
DOI: 10.1126 / science.abi6153
Це дослідження частково профінансували Національний науковий фонд і Міністерство оборони. Схожі роботи команд з Університету Колорадо та Університету Отаго з’являються в тому ж випуску наук.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
