Οι φυσικοί στο MIT χρησιμοποιούν τη θεμελιώδη ατομική ιδιότητα για να μετατρέψουν την ύλη σε αόρατη

Πώς τα εξαιρετικά πυκνά και εξαιρετικά ψυχρά άτομα γίνονται αόρατα

Μια νέα μελέτη επιβεβαιώνει ότι όταν τα άτομα ψύχονται και συμπιέζονται στα άκρα, η ικανότητά τους να διασκορπίζουν το φως καταστέλλεται.

ότι καλαμπόκιΤα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα σε ενεργειακά κελύφη. Όπως οι θεατές συναυλιών σε μια αρένα, κάθε ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει μία καρέκλα και δεν μπορεί να πέσει σε χαμηλότερο επίπεδο εάν όλες οι καρέκλες του είναι κατειλημμένες. Αυτή η θεμελιώδης ιδιότητα της ατομικής φυσικής είναι γνωστή ως η αρχή του αποκλεισμού Pauli και εξηγεί τη δομή των περιβλημάτων των ατόμων, την ποικιλομορφία του περιοδικού πίνακα των στοιχείων και τη σταθερότητα του φυσικού σύμπαντος.

επί του παρόντος, Με Οι φυσικοί έχουν παρατηρήσει την αρχή του αποκλεισμού Pauli, ή τον αποκλεισμό Pauli, με έναν εντελώς νέο τρόπο: ανακαλύπτουν ότι το φαινόμενο μπορεί να εμποδίσει τον τρόπο με τον οποίο ένα νέφος ατόμων διασκορπίζει το φως.

Κανονικά, όταν τα φωτόνια του φωτός διαπερνούν ένα σύννεφο ατόμων, τα φωτόνια και τα άτομα μπορούν να διασκορπιστούν σαν μπάλες του μπιλιάρδου, διασκορπίζοντας το φως προς κάθε κατεύθυνση για να ακτινοβολήσει το φως, κάνοντας έτσι το σύννεφο ορατό. Ωστόσο, η ομάδα του MIT σημείωσε ότι όταν τα άτομα υπερψύχονται και συμπιέζονται υπερβολικά, εμφανίζεται το φαινόμενο Pauli και τα σωματίδια έχουν λιγότερο χώρο για να διασκορπίσουν το φως. Αντίθετα, φωτόνια ρέουν μέσα από αυτό χωρίς να σκεδάζονται.

Η αρχή της απαγόρευσης του Pauli μπορεί να απεικονιστεί με μια αναλογία με τους ανθρώπους που γεμίζουν τις θέσεις στην πλατεία. Κάθε άτομο αντιπροσωπεύει ένα άτομο, ενώ κάθε έδρα αντιπροσωπεύει μια κβαντική κατάσταση. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες (α), τα άτομα κάθονται τυχαία, έτσι ώστε κάθε σωματίδιο να μπορεί να διασκορπίσει το φως. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (b), τα άτομα συσσωματώνονται μεταξύ τους. Μόνο όσοι έχουν περισσότερο χώρο κοντά στην άκρη μπορούν να διασκορπίσουν το φως. Πίστωση: Ευγενική προσφορά των ερευνητών

Οι φυσικοί στα πειράματά τους παρατήρησαν αυτό το φαινόμενο σε ένα σύννεφο ατόμων λιθίου. Καθώς γινόταν πιο ψυχρό και πυκνότερο, τα άτομα σκέδαζαν λιγότερο φως και σταδιακά έγιναν πιο αδιαφανή. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αν μπορέσουν να ωθήσουν τις συνθήκες περαιτέρω, σε θερμοκρασίες έως και απόλυτο μηδενικό, το σύννεφο θα γίνει εντελώς αόρατο.

Τα αποτελέσματα της ομάδας ανακοινώθηκαν σήμερα στις Επιστήμη, αντιπροσωπεύει την πρώτη παρατήρηση του φαινομένου αποκλεισμού Pauli στη σκέδαση φωτός από τα άτομα. Αυτό το φαινόμενο είχε προβλεφθεί πριν από 30 χρόνια αλλά δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι τώρα.

Wolfgang Ketterle, Καθηγητής Φυσικής στο John D. “Αυτό που παρατηρήσαμε είναι μια πολύ ειδική και απλή μορφή αποκλεισμού Pauli, η οποία είναι ότι μπλοκάρει το άτομο από αυτό που κάνουν όλα τα άτομα φυσικά: σκέδαση φωτός. Αυτή είναι η πρώτη σαφής παρατήρηση της ύπαρξης αυτού του φαινομένου και δείχνει μια νέο φαινόμενο στη φυσική».

Οι συν-συγγραφείς του Ketterle είναι ο κύριος συγγραφέας και πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής του MIT Yair Margalit, ο μεταπτυχιακός φοιτητής Yu-kun Lu και ο Furkan Top PhD ’20. Η ομάδα ανήκει στο Τμήμα Φυσικής του MIT, στο Κέντρο του Χάρβαρντ για Υπερψυχρά Άτομα του MIT και στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Έρευνας του MIT (RLE).

ελαφρύ λάκτισμα

Όταν ο Ketterle ήρθε στο MIT ως μεταδιδάκτορας πριν από 30 χρόνια, ο μέντοράς του David Pritchard, Cecil, και η καθηγήτρια φυσικής Ida Green, Ida Green, προέβλεψαν ότι ο αποκλεισμός Pauli θα μείωνε τον τρόπο με τον οποίο ορισμένα άτομα γνωστά ως φερμιόνια διασκορπίζουν το φως.

Η ιδέα του, γενικά, ήταν ότι εάν τα άτομα παγώνονταν σε μια σχεδόν πλήρη στάση και συμπιέζονταν σε έναν αρκετά στενό χώρο, τα άτομα θα συμπεριφέρονταν σαν ηλεκτρόνια σε συσσωρευμένα ενεργειακά κελύφη, χωρίς περιθώριο αλλαγής της ταχύτητας ή της θέσης τους. Εάν τα φωτόνια του φωτός ρέουν, δεν θα μπορούσαν να διασκορπιστούν.

Ο Yu-Kun Lu, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής, ευθυγραμμίζει την οπτική για να παρατηρήσει τη σκέδαση του φωτός από τα εξαιρετικά ψυχρά νέφη ατόμων. Πίστωση: Ευγενική προσφορά των ερευνητών

«Ένα άτομο μπορεί να διασκορπίσει ένα φωτόνιο μόνο εάν μπορεί να απορροφήσει τη δύναμη του κλωτσιού του, μετακινώντας σε άλλη καρέκλα», εξηγεί ο Ketterle, αναφέροντας την αναλογία του να κάθεσαι σε ένα δαχτυλίδι. “Εάν όλες οι άλλες καρέκλες είναι κατειλημμένες, δεν θα έχουν την ικανότητα να απορροφήσουν το λάκτισμα και να διασκορπίσουν το φωτόνιο. Επομένως, τα άτομα γίνονται διαφανή.”

«Αυτό το φαινόμενο δεν έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν, γιατί οι άνθρωποι δεν μπόρεσαν να σχηματίσουν σύννεφα αρκετά κρύα και αρκετά πυκνά», προσθέτει ο Ketterle.

“Κυριαρχία του ατομικού κόσμου”

Τα τελευταία χρόνια, φυσικοί, συμπεριλαμβανομένων εκείνων της ομάδας του Ketterle, έχουν αναπτύξει μαγνητικές τεχνικές με βάση το λέιζερ για να μειώσουν τα άτομα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Λέει ότι ο περιοριστικός παράγοντας ήταν η πυκνότητα.

«Εάν η πυκνότητα δεν είναι αρκετά υψηλή, το άτομο μπορεί ακόμα να διασκορπίσει το φως πηδώντας πάνω από μερικές θέσεις μέχρι να βρει λίγο χώρο», λέει ο Ketterle. «Αυτό ήταν το σημείο συμφόρησης».

Στη νέα τους μελέτη, αυτός και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν τεχνικές που είχαν αναπτυχθεί προηγουμένως για να παγώσουν πρώτα ένα νέφος φερμιονίων — σε αυτή την περίπτωση, ένα ειδικό ισότοπο του ατόμου του λιθίου, το οποίο έχει τρία ηλεκτρόνια, τρία πρωτόνια και τρία νετρόνια. Παγώνουν ένα νέφος ατόμων λιθίου στα 20 μικροκελβίνια, που είναι περίπου το 1/10.000 της θερμοκρασίας του διαστρικού χώρου.

«Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε ένα εξαιρετικά εστιασμένο λέιζερ για να συμπιέσουμε τα εξαιρετικά ψυχρά άτομα για να καταγράψουμε πυκνότητες περίπου ενός τετρασεκατομμυρίου ατόμων ανά κυβικό εκατοστό», εξηγεί ο Lu.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές έριξαν μια άλλη ακτίνα λέιζερ στο σύννεφο, βαθμονομώντας το προσεκτικά έτσι ώστε τα φωτόνια του να μην θερμάνουν τα πολύ ψυχρά άτομα ή να μην αλλάξουν την έντασή τους καθώς το φως περνούσε μέσα από αυτά. Τέλος, χρησιμοποίησαν φακό και κάμερα για να απαθανατίσουν και να μετρήσουν τα φωτόνια που κατάφεραν να διασκορπιστούν.

«Στην πραγματικότητα μετράμε μερικές εκατοντάδες φωτόνια, κάτι που είναι πραγματικά εκπληκτικό», λέει η Margalit. “Ένα φωτόνιο είναι μια μικρή ποσότητα φωτός, αλλά οι συσκευές μας είναι τόσο ευαίσθητες που μπορούμε να το δούμε ως ένα μικροσκοπικό σημείο φωτός σε μια κάμερα.”

Σε προοδευτικά χαμηλότερες θερμοκρασίες και υψηλότερη ένταση, τα άτομα διασκορπίζουν όλο και λιγότερο φως, όπως ακριβώς προέβλεπε η θεωρία του Pritchard. Στο πιο κρύο τους, σε περίπου 20 microkelvin, τα άτομα ήταν 38 τοις εκατό πιο αδύναμα, πράγμα που σημαίνει ότι διασκορπίζουν 38 τοις εκατό λιγότερο φως από τα ψυχρότερα, λιγότερο έντονα άτομα.

«Αυτό το σύστημα με πολύ κρύα, πολύ πυκνά σύννεφα έχει άλλα αποτελέσματα που μπορούν να μας ξεγελάσουν», λέει η Margalit. «Έτσι, περάσαμε αρκετούς μήνες εξετάζοντας αυτά τα αποτελέσματα και αφήνοντάς τα στην άκρη, για να έχουμε την πιο ξεκάθαρη μέτρηση».

Τώρα που η ομάδα παρατήρησε ότι ο αποκλεισμός Pauli μπορεί να επηρεάσει την ικανότητα του ατόμου να διασκορπίζει φως, ο Ketterle λέει ότι αυτή η βασική γνώση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη υλικών με κατασταλμένη σκέδαση φωτός, για παράδειγμα για τη διατήρηση δεδομένων σε κβαντικούς υπολογιστές.

«Όταν ελέγχουμε τον κβαντικό κόσμο, όπως στους κβαντικούς υπολογιστές, η σκέδαση φωτός είναι πρόβλημα και σημαίνει ότι διαρρέουν πληροφορίες από τον κβαντικό υπολογιστή σας», συλλογίζεται. “Αυτός είναι ένας τρόπος για να καταστείλουμε τη σκέδαση του φωτός και συμβάλλουμε στη γενική ιδέα του ελέγχου του ατομικού κόσμου.”

Αναφορά: «Ο Pauli που εμποδίζει τη σκέδαση φωτός σε εκφυλισμένα φερμιόνια» Από τους Yair Margalit, Yu-Kun Lo, Furkan Shagri-top και Wolfgang Ketterle, 18 Νοεμβρίου 2021, Διαθέσιμο εδώ. Επιστήμη.
DOI: 10.1126 / Science.abi6153

Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Υπουργείο Άμυνας. Σχετική εργασία από ομάδες από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο και το Πανεπιστήμιο του Οτάγκο εμφανίζεται στο ίδιο τεύχος του Επιστήμη.