Jauns pētījums apstiprina, ka tad, kad atomi tiek atdzesēti un saspiesti līdz galējai robežai, to spēja izkliedēt gaismu tiek nomākta. Kredīts: Kristen Danilov, MIT
Kā īpaši blīvi un īpaši auksti atomi kļūst neredzami
Jauns pētījums apstiprina, ka tad, kad atomi tiek atdzesēti un saspiesti līdz galējai robežai, to spēja izkliedēt gaismu tiek nomākta.
ka kukurūzaElektroni ir sakārtoti enerģijas apvalkos. Tāpat kā koncertu apmeklētāji arēnā, katrs elektrons aizņem vienu krēslu un nevar nolaisties zemākā līmenī, ja visi tā krēsli ir aizņemti. Šī atomu fizikas pamatīpašība ir pazīstama kā Pauli izslēgšanas princips, un tas izskaidro atomu apvalku struktūru, elementu periodiskās tabulas daudzveidību un fiziskā Visuma stabilitāti.
šobrīd, Ar Fiziķi ir novērojuši Pauli izslēgšanas principu vai Pauli izslēgšanu pilnīgi jaunā veidā: viņi atklāj, ka efekts var bloķēt to, kā atomu mākonis izkliedē gaismu.
Parasti, kad gaismas fotoni iekļūst atomu mākonī, fotoni un atomi var izkliedēties kā biljarda bumbiņas, izkliedējot gaismu visos virzienos, lai izstarotu gaismu, tādējādi padarot mākoni redzamu. Tomēr MIT komanda atzīmēja, ka tad, kad atomi tiek pārdzesēti un īpaši izspiesti, Pauli efekts iedarbojas un daļiņām ir mazāk vietas, lai izkliedētu gaismu. Tā vietā fotoni plūst caur to, neizkliedējoties.
Pauli aizlieguma principu var ilustrēt ar analoģiju ar cilvēkiem, kuri aizpilda vietas laukumā. Katrs cilvēks apzīmē atomu, savukārt katrs sēdeklis apzīmē kvantu stāvokli. Augstākā temperatūrā (a) atomi atrodas nejauši, lai katra daļiņa varētu izkliedēt gaismu. Zemākā temperatūrā (b) atomi saplūst kopā. Gaismu var izkliedēt tikai tie, kuriem ir vairāk vietas pie malas. Kredīts: ar pētnieku pieklājību
Fiziķi savos eksperimentos novēroja šo efektu litija atomu mākonī. Tā kā tas kļuva vēsāks un blīvāks, atomi izkliedēja mazāk gaismas un pakāpeniski kļuva necaurspīdīgāki. Pētnieki uzskata, ka, ja viņi spēs turpināt apstākļus, līdz temperatūrai līdz absolūtā nulle, mākonis kļūs pilnīgi neredzams.
Par komandu rezultātiem tika ziņots šodien plkst Zinātne, ir pirmais novērojums par Pauli bloķējošo efektu uz gaismas izkliedi ar atomiem. Šis efekts tika prognozēts pirms 30 gadiem, bet līdz šim tas nav novērots.
Volfgangs Keterls, fizikas profesors Džona D. “Tas, ko mēs esam novērojuši, ir ļoti īpašs un vienkāršs Pauli bloķēšanas veids, proti, tas bloķē atomu no tā, ko visi atomi dabiski dara: gaismas izkliedi. Šis ir pirmais skaidrais novērojums par šī efekta esamību. parāda jaunu fenomenu fizikā.
Ketterles līdzautori ir vadošais autors un bijušais MIT postdoc Yair Margalit, maģistrants Yu-kun Lu un Furkan Top PhD ’20. Komanda pieder MIT Fizikas departamentam, MIT Hārvardas ultraauksto atomu centram un MIT Research Electronics Laboratory (RLE).
viegls spēriens
Kad Keterls pirms 30 gadiem ieradās MIT kā pēcdoktors, viņa mentors Deivids Pričards, Sesils un Ida Grīna fizikas profesore Ida Grīna prognozēja, ka Pauli bloķēšana mazinās veidu, kā daži atomi, kas pazīstami kā fermioni, izkliedē gaismu.
Viņa ideja kopumā bija tāda, ka, ja atomi tiktu sasaldēti līdz gandrīz pilnīgai pabeigšanai un saspiesti pietiekami šaurā telpā, atomi uzvesties kā elektroni iesaiņotos enerģijas apvalkos, kuriem nebūtu vietas, lai mainītu to ātrumu vai pozīciju. Ja gaismas fotoni plūstu, tie nespētu izkliedēties.
Maģistrantūras students Yu-Kun Lu saskaņo optiku, lai novērotu gaismas izkliedi no īpaši vēsiem atomu mākoņiem. Kredīts: ar pētnieku pieklājību
“Atoms var izkliedēt fotonu tikai tad, ja tas spēj absorbēt sitiena spēku, pārejot uz citu krēslu,” skaidro Keterle, minot analoģiju ar sēdēšanu gredzenā. “Ja visi pārējie krēsli ir aizņemti, tie nespēs absorbēt sitienu un izkliedēt fotonu. Tāpēc atomi kļūst caurspīdīgi.”
“Šī parādība iepriekš nav novērota, jo cilvēki nav spējuši veidot pietiekami aukstus un pietiekami blīvus mākoņus,” piebilst Ketterle.
“Atomu pasaules kundzība”
Pēdējos gados fiziķi, tostarp Keterles grupā, ir izstrādājuši lāzera magnētiskās metodes, lai pazeminātu atomus līdz ārkārtīgi aukstai temperatūrai. Viņš saka, ka ierobežojošais faktors bija blīvums.
“Ja blīvums nav pietiekami augsts, atoms joprojām var izkliedēt gaismu, pārlecot pāri dažiem sēdekļiem, līdz tas atrod vietu,” saka Ketterle. “Tas bija sašaurinājums.”
Savā jaunajā pētījumā viņš un viņa kolēģi izmantoja iepriekš izstrādātas metodes, lai vispirms iesaldētu fermionu mākoni – šajā gadījumā īpašu litija atoma izotopu, kurā ir trīs elektroni, trīs protoni un trīs neitroni. Tie sasaldē litija atomu mākoni līdz 20 mikrokelviniem, kas ir aptuveni 1/10 000 starpzvaigžņu telpas temperatūras.
“Pēc tam mēs izmantojām ļoti fokusētu lāzeru, lai saspiestu īpaši aukstos atomus, lai reģistrētu blīvumu aptuveni kvadriljonu atomu uz kubikcentimetru,” skaidro Lu.
Pēc tam pētnieki mākonī iespīdēja citu lāzera staru, rūpīgi to kalibrējot, lai tā fotoni nesasildītu ļoti aukstos atomus un nemainītu to intensitāti, gaismai ejot cauri tiem. Visbeidzot, viņi izmantoja objektīvu un kameru, lai notvertu un saskaitītu fotonus, kuriem izdevās izkliedēt.
“Mēs faktiski saskaitām dažus simtus fotonu, kas ir patiešām pārsteidzoši,” saka Margalits. “Fotons ir niecīgs gaismas daudzums, taču mūsu ierīces ir tik jutīgas, ka mēs to varam redzēt kā nelielu kameras gaismas punktu.”
Pie pakāpeniski zemākām temperatūrām un augstākas intensitātes atomi izkliedē mazāk un mazāk gaismas, kā to paredzēja Pričarda teorija. Aukstākajā laikā, aptuveni 20 mikrokelvinu temperatūrā, atomi bija par 38 procentiem vājāki, kas nozīmē, ka tie izkliedē par 38 procentiem mazāk gaismas nekā vēsāki, mazāk intensīvi atomi.
“Šai ļoti aukstu, ļoti blīvu mākoņu sistēmai ir arī citi efekti, kas var mūs maldināt,” saka Margalits. “Tāpēc mēs pavadījām dažus mēnešus, izsijājot šos efektus un noliekot tos malā, lai iegūtu skaidrāko mērījumu.”
Tagad, kad komanda ir pamanījusi, ka Pauli bloķēšana faktiski var ietekmēt atoma spēju izkliedēt gaismu, Ketterle saka, ka šīs pamatzināšanas var izmantot, lai izstrādātu materiālus ar slāpētu gaismas izkliedi, piemēram, lai saglabātu datus kvantu datoros.
“Kad mēs kontrolējam kvantu pasauli, tāpat kā kvantu datoros, gaismas izkliede ir problēma, un tas nozīmē, ka informācija izplūst no jūsu kvantu datora,” viņš domā. “Tas ir viens no veidiem, kā nomākt gaismas izkliedi, un mēs veicinām vispārējo ideju par atomu pasaules kontroli.”
Atsauce: Yair Margalit, Yu-Kun Lo un Furkan Shagri-Top un Wolfgang Ketterle “Pauli bloķē gaismas izkliedi deģenerētos fermionos”, 2021. gada 18. novembris. Pieejams šeit. Zinātne.
DOI: 10.1126 / science.abi6153
Šo pētījumu daļēji finansēja Nacionālais zinātnes fonds un Aizsardzības departaments. Kolorādo universitātes un Otago universitātes komandu saistītie darbi ir publicēti tajā pašā izdevumā Zinātne.
