Hvor ultrakolde, supertætte atomer bliver usynlige

Et atoms elektroner er arrangeret i energiskaller. Som koncertgængere i en arena optager hver elektron en enkelt stol og kan ikke falde til et lavere niveau, hvis alle dens stole er optaget. Denne grundlæggende egenskab ved atomfysik er kendt som Pauli-udelukkelsesprincippet, og den forklarer atomernes skalstruktur, mangfoldigheden af ​​grundstoffernes periodiske system og stabiliteten af ​​det materielle univers.

Nu har MIT-fysikere observeret Pauli-udelukkelsesprincippet eller Pauli-blokering på en helt ny måde:De har fundet ud af, at effekten kan undertrykke, hvordan en sky af atomer spreder lys.

Normalt, når fotoner af lys trænger ind i en sky af atomer, kan partiklerne pinge af hinanden som billardkugler, sprede fotoner i alle retninger for at udstråle lys og dermed gøre skyen synlig. Men MIT-holdet observerede, at når atomer er superafkølede og ultrapressede, træder Pauli-effekten ind, og partiklerne har effektivt mindre plads til at sprede lys. Fotonerne strømmer i stedet igennem, uden at blive spredt.

I deres eksperimenter observerede fysikerne denne effekt i en sky af lithiumatomer. Da de blev gjort koldere og mere tætte, spredte atomerne mindre lys og blev gradvist svagere. Forskerne formoder, at hvis de kunne presse forholdene yderligere til temperaturer på det absolutte nulpunkt, ville skyen blive fuldstændig usynlig.

Holdets resultater, rapporteret i Science , repræsenterer den første observation af Pauli blokering's effekt på lysspredning af atomer. Denne effekt blev forudsagt for 30 år siden, men ikke observeret før nu.

"Pauli-blokering er generelt blevet bevist og er helt afgørende for stabiliteten i verden omkring os," siger Wolfgang Ketterle, John D. Arthur-professor i fysik ved MIT. "Det, vi har observeret, er en meget speciel og enkel form for Pauli-blokering, som er, at den forhindrer et atom i, hvad alle atomer naturligt ville gøre:sprede lys. Dette er den første klare observation af, at denne effekt eksisterer, og det viser en nyt fænomen i fysik."

Ketterles medforfattere er hovedforfatter og tidligere MIT postdoc Yair Margalit, kandidatstuderende Yukun Lu og Furkan Top Ph.D. '20. Holdet er tilknyttet MIT Physics Department, MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms og MIT's Research Laboratory of Electronics (RLE).

Et let spark

Da Ketterle kom til MIT som postdoc for 30 år siden, lavede hans mentor, David Pritchard, Cecil og Ida Green Professor i fysik, en forudsigelse om, at Pauli-blokering ville undertrykke den måde, visse atomer kendt som fermioner spreder lys på.

Hans idé var i store træk, at hvis atomer blev frosset til næsten stilstand og presset ind i et trangt nok rum, ville atomerne opføre sig som elektroner i pakkede energiskaller, uden plads til at ændre deres hastighed eller position. Hvis fotoner af lys skulle strømme ind, ville de ikke være i stand til at sprede sig og oplyse atomerne.

"Et atom kan kun sprede en foton, hvis det kan absorbere kraften fra sit spark ved at flytte til en anden stol," forklarer Ketterle og påberåber sig arenasædeanalogien. "Hvis alle andre stole er optaget, har den ikke længere evnen til at absorbere sparket og sprede fotonen. Så atomet bliver gennemsigtigt."

"Dette fænomen var aldrig blevet observeret før, fordi folk ikke var i stand til at generere skyer, der var kolde og tætte nok," tilføjer Ketterle.

"Kontroller atomverdenen"

I de seneste år har fysikere, inklusive dem i Ketterles gruppe, udviklet magnetiske og laserbaserede teknikker til at bringe atomer ned til ultrakolde temperaturer. Den begrænsende faktor, siger han, var tæthed.

"Hvis tætheden ikke er høj nok, kan et atom stadig sprede lys ved at hoppe over et par stole, indtil det finder plads," siger Ketterle. "Det var flaskehalsen."

I deres nye undersøgelse brugte han og hans kolleger teknikker, de udviklede tidligere, til først at fryse en sky af fermioner - i dette tilfælde en speciel isotop af lithiumatom, som har tre elektroner, tre protoner og tre neutroner. De frøs en sky af lithiumatomer ned til 20 mikrokelvin, hvilket er omkring 1/100.000 temperaturen i det interstellare rum.

"Vi brugte derefter en stramt fokuseret laser til at presse de ultrakolde atomer til at registrere tætheder, som nåede omkring en kvadrillion atomer pr. kubikcentimeter," forklarer Lu.

Forskerne kastede derefter endnu en laserstråle ind i skyen, som de omhyggeligt kalibrerede, så dens fotoner ikke ville varme de ultrakolde atomer op eller ændre deres tæthed, når lyset passerede igennem. Til sidst brugte de en linse og et kamera til at fange og tælle de fotoner, der nåede at sprede sig væk.

"Vi tæller faktisk et par hundrede fotoner, hvilket er virkelig fantastisk," siger Margalit. "En foton er sådan en lille mængde lys, men vores udstyr er så følsomt, at vi kan se dem som en lille klat lys på kameraet."

Ved gradvist koldere temperaturer og højere tætheder spredte atomerne mindre og mindre lys, ligesom Pritchards teori forudsagde. På deres koldeste, omkring 20 mikrokelvin, var atomerne 38 procent svagere, hvilket betyder, at de spredte 38 procent mindre lys end mindre kolde, mindre tætte atomer.

"Dette regime med ultrakolde og meget tætte skyer har andre virkninger, der muligvis kan bedrage os," siger Margalit. "Så vi brugte et par gode måneder på at gennemskue og lægge disse effekter til side for at få den klareste måling."

Nu hvor holdet har observeret, at Pauli-blokering faktisk kan påvirke et atoms evne til at sprede lys, siger Ketterle, at denne grundlæggende viden kan bruges til at udvikle lys-undertrykkende materialer, for eksempel til at bevare data i kvantecomputere.

"Når vi kontrollerer kvanteverdenen, som i kvantecomputere, er lysspredning et problem, og det betyder, at information siver ud af din kvantecomputer," funderer han. "Dette er en måde at undertrykke lysspredning på, og vi bidrager til det generelle tema om at kontrollere atomverdenen."

Relateret arbejde fra et team fra University of Colorado vises i samme nummer af Science .