Kaip itin tankūs ir itin šalti atomai tampa nematomi

Naujas tyrimas patvirtina, kad atomus atšaldžius ir suspaudžiant iki kraštutinumo, jų gebėjimas išsklaidyti šviesą slopinamas.

kad kukurūzaiElektronai yra išsidėstę energetiniuose apvalkaluose. Kaip ir koncertų lankytojai arenoje, kiekvienas elektronas užima vieną kėdę ir negali nusileisti į žemesnį lygį, jei visos jo kėdės yra užimtos. Ši pagrindinė atominės fizikos savybė yra žinoma kaip Pauli išskyrimo principas ir paaiškina atomų apvalkalų struktūrą, periodinės elementų lentelės įvairovę ir fizinės visatos stabilumą.

šiuo metu, Su Fizikai Pauli išskyrimo principą arba Pauli išskyrimą pastebėjo visiškai nauju būdu: jie atranda, kad poveikis gali blokuoti, kaip atomų debesis išsklaido šviesą.

Paprastai, kai šviesos fotonai prasiskverbia į atomų debesį, fotonai ir atomai gali išsisklaidyti kaip biliardo kamuoliukai, išsklaidydami šviesą visomis kryptimis, kad skleistų šviesą, todėl debesis tampa matomas. Tačiau MIT komanda pastebėjo, kad kai atomai yra peršaldomi ir itin suspaudžiami, atsiranda Pauli efektas ir dalelės turi mažiau vietos išsklaidyti šviesą. Vietoj to, fotonai teka per jį neišsklaidydami.

Pauli draudimo principą galima iliustruoti analogija žmonėms, kurie užpildo vietas aikštėje. Kiekvienas asmuo reiškia atomą, o kiekviena sėdynė – kvantinę būseną. Esant aukštesnei temperatūrai (a), atomai sėdi atsitiktinai, todėl kiekviena dalelė gali išsklaidyti šviesą. Žemesnėje temperatūroje (b) atomai susilieja. Tik tie, kurie turi daugiau vietos šalia krašto, gali išsklaidyti šviesą. Kreditas: tyrėjų sutikimas

Fizikai savo eksperimentuose pastebėjo šį efektą ličio atomų debesyje. Kai jis tapo vėsesnis ir tankesnis, atomai išsklaidė mažiau šviesos ir palaipsniui tapo neskaidresni. Tyrėjai mano, kad jei jie galės toliau kelti sąlygas, iki temperatūros iki absoliutus nulis, debesis taps visiškai nematomas.

Komandos rezultatai buvo paskelbti šiandien val Mokslas, yra pirmasis Pauli blokuojančio poveikio atomų šviesos sklaidai stebėjimas. Šis poveikis buvo prognozuotas prieš 30 metų, bet iki šiol nepastebėtas.

Wolfgangas Ketterle, fizikos profesorius John D. „Tai, ką mes pastebėjome, yra labai ypatinga ir paprasta Pauli blokavimo forma, t. y. ji blokuoja atomą nuo to, ką visi atomai daro natūraliai: šviesos sklaidos. Tai pirmasis aiškus šio efekto egzistavimo stebėjimas, ir tai rodo naujas reiškinys fizikoje“.

Ketterle bendraautoriai yra pagrindinis autorius ir buvęs MIT doktorantūros tyrėjas Yair Margalit, magistrantas Yu-kun Lu ir Furkan Top PhD ’20. Komanda priklauso MIT Fizikos katedrai, MIT Harvardo ultrašaltų atomų centrui ir MIT tyrimų elektronikos laboratorijai (RLE).

lengvas spyris

Kai Ketterle prieš 30 metų atvyko į MIT kaip postdoc, jo mentorius Davidas Pritchardas, Cecilis ir Ida Green fizikos profesorius Ida Green numatė, kad Pauli blokavimas slopins tam tikrų atomų, žinomų kaip fermionai, išsklaidymo šviesą būdą.

Jo mintis apskritai buvo tokia, kad jei atomai būtų sustingę iki beveik visiško sustojimo ir suspausti į pakankamai siaurą erdvę, atomai elgtųsi kaip elektronai supakuotuose energetiniuose apvalkaluose, neturėdami vietos keisti greičio ar padėties. Jei šviesos fotonai tekėtų, jie negalėtų išsisklaidyti.

Magistrantė Yu-Kun Lu sulygiuoja optiką, kad stebėtų šviesos sklaidą iš itin vėsių atomų debesų. Kreditas: tyrėjų sutikimas

„Atomas gali išsklaidyti fotoną tik tada, kai gali sugerti savo smūgio jėgą, persikeldamas ant kitos kėdės“, – aiškina Ketterle, pateikdamas sėdėjimo žiede analogiją. „Jei visos kitos kėdės bus užimtos, jos nesugebės sugerti smūgio ir išsklaidyti fotono. Todėl atomai tampa skaidrūs.”

„Šis reiškinys anksčiau nebuvo pastebėtas, nes žmonės nesugebėjo suformuoti pakankamai šaltų ir pakankamai tankių debesų“, – priduria Ketterle.

„Atominio pasaulio viešpatavimas“

Pastaraisiais metais fizikai, įskaitant Ketterle’o grupę, sukūrė lazeriu pagrįstus magnetinius metodus, kad sumažintų atomus iki itin žemos temperatūros. Jis sako, kad ribojantis veiksnys buvo tankis.

„Jei tankis nėra pakankamai didelis, atomas vis tiek gali išsklaidyti šviesą peršokdamas per kelias sėdynes, kol atsiras vietos“, – sako Ketterle. „Tai buvo kliūtis.”

Savo naujame tyrime jis ir jo kolegos naudojo anksčiau sukurtus metodus, kad pirmiausia užšaldytų fermionų debesį – šiuo atveju specialų ličio atomo izotopą, turintį tris elektronus, tris protonus ir tris neutronus. Jie užšaldo ličio atomų debesį iki 20 mikrokelvinų, o tai yra maždaug 1/10 000 tarpžvaigždinės erdvės temperatūros.

„Tada mes panaudojome labai fokusuotą lazerį, kad suspaustume itin šaltus atomus, kad užfiksuotume maždaug kvadrilijono atomų kubiniame centimetre tankį“, – aiškina Lu.

Tada tyrėjai į debesį apšvietė kitą lazerio spindulį, atsargiai jį sukalibruodami, kad jo fotonai nekaitintų labai šaltų atomų ir nepakeistų jų intensyvumo, kai pro juos prasiskverbia šviesa. Galiausiai jie panaudojo objektyvą ir fotoaparatą, kad užfiksuotų ir suskaičiuotų fotonus, kurie sugebėjo išsklaidyti.

„Iš tikrųjų skaičiuojame kelis šimtus fotonų, o tai tikrai nuostabu“, – sako Margalit. „Fotonas yra nedidelis šviesos kiekis, tačiau mūsų prietaisai yra tokie jautrūs, kad galime matyti jį kaip mažą fotoaparato šviesos tašką.

Palaipsniui žemėjant temperatūrai ir didesniam intensyvumui, atomai išsklaido vis mažiau šviesos, kaip ir numatė Pritchard teorija. Šalčiausiu metu, maždaug 20 mikrokelvinų, atomai buvo 38 procentais silpnesni, o tai reiškia, kad jie išsklaido 38 procentais mažiau šviesos nei vėsesni, ne tokie intensyvūs atomai.

„Ši labai šaltų, labai tankių debesų sistema turi kitų padarinių, kurie gali mus apgauti“, – sako Margalit. „Taigi mes praleidome keletą mėnesių, sijodami šiuos efektus ir atidėjome juos į šalį, kad gautume aiškiausią matavimą.”

Dabar, kai komanda pastebėjo, kad Pauli blokavimas iš tikrųjų gali paveikti atomo gebėjimą išsklaidyti šviesą, Ketterle teigia, kad šios pagrindinės žinios gali būti panaudotos kuriant medžiagas, kurių šviesos sklaida slopinama, pavyzdžiui, norint išsaugoti duomenis kvantiniuose kompiuteriuose.

„Kai mes valdome kvantinį pasaulį, kaip ir kvantiniuose kompiuteriuose, šviesos sklaida yra problema, o tai reiškia, kad informacija nuteka iš jūsų kvantinio kompiuterio“, – svarsto jis. „Tai yra vienas iš būdų slopinti šviesos sklaidą, ir mes prisidedame prie bendros idėjos valdyti atominį pasaulį.”

Nuoroda: „Pauli blokuoja šviesos sklaidą išsigimusiuose fermionuose“, Yair Margalit, Yu-Kun Lo, Furkan Shagri-top ir Wolfgang Ketterle, 2021 m. lapkričio 18 d., pasiekiama čia. Mokslas.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Šį tyrimą iš dalies finansavo Nacionalinis mokslo fondas ir Gynybos departamentas. Susiję Kolorado universiteto ir Otago universitetų komandų darbai pateikiami tame pačiame numeryje Mokslas.