麻省理工学院的物理学家利用基本的原子特性使物质“隐形”

2021年11月20日 10:46 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

一项新的研究证实,当原子被冷却并被“挤压”到极致时,它们散射光的能力会被抑制。一个原子的电子被安排在能量壳中。就像竞技场上的观众一样,每个电子都占据着一张椅子,如果它的所有椅子都被占据,就不能降到较低的层级。原子物理学的这一基本属性被称为泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),它解释了原子的壳结构、元素周期表的多样性以及物质宇宙的稳定性。现在,麻省理工学院的物理学家们以一种全新的方式观察到了泡利不相容原理(又称泡利原理)。

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他们发现,该效应可以抑制原子云对光的散射。

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通常情况下,当光子穿透原子云时,光子和原子可以像台球一样相互撞击,向各个方向散射光线,从而使原子云可见。然而,麻省理工学院的研究小组观察到,当原子被过冷和超挤压时,泡利原理开始发挥作用,粒子有效地减少了散射光的空间。光子反而流过,没有被散射。

在他们的实验中,物理学家们在一团锂原子中观察到了这种效应。当它们被变得更冷和更密集时,原子散射的光更少,并逐渐变得更暗。研究人员怀疑,如果他们能够将条件进一步推高,达到绝对零度的温度,这团云将变得完全不可见。

周二在《科学》杂志上报道的研究小组的结果,代表了首次观察到保利阻断对原子光散射的影响。这种效应在30年前就被预测了,但直到现在才被观察到。

麻省理工学院约翰-D-阿瑟物理学教授Wolfgang Ketterle说:“一般来说,泡利不相容已经被证实,而且对于我们周围世界的稳定性绝对是至关重要的。我们所观察到的是保利阻断的一种非常特殊和简单的形式,即它阻止一个原子做所有原子自然会做的事情:散射光。这是第一次明确观察到这种效应的存在,它显示了物理学中的一个新现象。”

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30年前,当Ketterle作为博士后来到麻省理工学院时,他的导师David Pritchard,即Cecil和Ida Green物理学教授,做出了一个预测,即泡利不相容将抑制某些被称为费米子的原子散射光的方式。

从广义上讲,他的想法是,如果原子被冻结到接近静止,并被挤压到一个足够狭小的空间,那么原子的行为就会像电子在密集的能量壳中一样,没有空间来改变它们的速度或位置。如果光子流进来,它们就无法散射。

“一个原子只有在能够吸收其踢力的情况下才能散射光子,通过移动到另一把椅子上,”Ketterle解释说,他引用了竞技场座位的比喻。“如果所有其他的椅子都被占用了,它就不再有能力吸收踢力和散射光子了。所以,原子变得透明。”

“这种现象以前从未被观察到,因为人们无法生成足够冷和密集的云,”Ketterle补充说。

近年来,包括Ketterle小组的物理学家们已经开发了基于磁和激光的技术,将原子降至超低温。他说,限制性因素是密度。

"如果密度不够高,一个原子仍然可以通过跳过几把椅子来散射光,直到它找到一些空间,"Ketterle说。"那是瓶颈。"

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在他们的新研究中,他和他的同事使用了他们以前开发的技术,首先冻结了一团费米子--在这种情况下,是一种特殊的锂原子同位素,它有三个电子、三个质子和三个中子。他们将一团锂原子冻结到20microkelvin,这大约是星际空间温度的1/100,000。

研究人员解释说:“然后我们使用一个紧密聚焦的激光来挤压超冷原子以记录密度,密度达到了每立方厘米约四亿个原子。”

研究人员随后将另一束激光照射到云中,他们仔细地校准了这一束激光,使其光子不会加热超冷原子或在光线通过时改变其密度。最后,他们使用一个镜头和照相机来捕捉和计算设法散开的光子。

"我们实际上是在计算几百个光子,这真的很惊人,"Margalit说。"一个光子是如此小的光量,但是我们的设备非常敏感,我们可以在相机上看到它们是一个小的光球。"

在逐渐变冷的温度和更高的密度下,原子散射的光越来越少,就像 Pritchard的理论所预测的那样。在它们最冷的时候,即大约20microkelvin的时候,原子变暗了38%,这意味着它们散射的光比不太冷、密度较低的原子少38%。

Margalit说:“这种超冷和非常密集的云的制度有其他的影响,可能会欺骗我们。因此,我们花了好几个月的时间来筛选并抛开这些影响,以获得最清晰的测量结果。”

现在研究小组已经观察到保利阻断确实可以影响原子散射光的能力,Ketterle说,这一基本知识可能被用来开发具有抑制光散射的材料,例如用于保存量子计算机的数据。

“每当我们控制量子世界时,比如在量子计算机中,光散射是一个问题,意味着信息会从你的量子计算机中泄露出去,”他思考道。“这是抑制光散射的一种方法,我们正在为控制原子世界的总主题作出贡献。”

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