Un nuovo studio conferma che quando gli atomi vengono raffreddati e compressi all’estremo, la loro capacità di diffondere la luce viene soppressa. Credito: Kristen Danilov, MIT

Come gli atomi ultra-densi e ultra-freddi diventano invisibili

Un nuovo studio conferma che quando gli atomi vengono raffreddati e compressi all’estremo, la loro capacità di diffondere la luce viene soppressa.

Quello MaisGli elettroni sono disposti in gusci energetici. Come i frequentatori di un concerto in un’arena, ogni elettrone occupa una sedia e non può scendere a un livello inferiore se tutte le sue sedie sono occupate. Questa proprietà fondamentale della fisica atomica è nota come principio di esclusione di Pauli e spiega la struttura degli involucri degli atomi, la diversità della tavola periodica degli elementi e la stabilità dell’universo fisico.

attualmente, Insieme a I fisici hanno osservato il principio di esclusione di Pauli, o esclusione di Pauli, in un modo completamente nuovo: scoprono che l’effetto può bloccare il modo in cui una nuvola di atomi disperde la luce.

Normalmente, quando i fotoni di luce penetrano in una nuvola di atomi, i fotoni e gli atomi possono disperdersi come palle da biliardo, disperdendo la luce in ogni direzione per irradiare la luce, rendendo così visibile la nuvola. Tuttavia, il team del MIT ha notato che quando gli atomi sono superraffreddati e ultra-schiacciati, l’effetto Pauli si attiva e le particelle hanno meno spazio per disperdere la luce. Invece, i fotoni lo attraversano senza essere dispersi.

Il principio del proibizionismo di Pauli può essere illustrato da un’analogia con le persone che occupano i sedili della piazza. Ogni persona rappresenta un atomo, mentre ogni sede rappresenta uno stato quantico. A temperature più alte (a), gli atomi siedono in modo casuale, in modo che ogni particella possa disperdere la luce. A temperature più basse (b), gli atomi si raggruppano. Solo quelli con più spazio vicino al bordo possono disperdere la luce. Credito: per gentile concessione dei ricercatori

I fisici nei loro esperimenti hanno osservato questo effetto in una nuvola di atomi di litio. Man mano che diventava più freddo e più denso, gli atomi disperdevano meno luce e gradualmente diventavano più opachi. I ricercatori ritengono che se possono spingere ulteriormente le condizioni, a temperature fino a zero Assoluto, la nuvola diventerà completamente invisibile.

I risultati della squadra sono stati riportati oggi al Scienza, rappresenta la prima osservazione dell’effetto Pauli-blocking sulla diffusione della luce da parte degli atomi. Questo effetto è stato previsto 30 anni fa, ma non è stato osservato fino ad ora.

Wolfgang Ketterle, professore di fisica al John D. “Quello che abbiamo osservato è una forma molto speciale e semplice di Pauli blocking, che è che blocca l’atomo da ciò che tutti gli atomi fanno naturalmente: la dispersione della luce. Questa è la prima osservazione chiara dell’esistenza di questo effetto, ed è mostra un nuovo fenomeno in fisica”.

I coautori di Ketterle sono l’autore principale ed ex postdoc del MIT Yair Margalit, lo studente laureato Yu-kun Lu e il Furkan Top PhD ’20. Il team appartiene al Dipartimento di Fisica del MIT, all’Harvard Center for Ultracold Atoms del MIT e al Research Electronics Laboratory (RLE) del MIT.

calcio leggero

Quando Ketterle arrivò al MIT come postdoc 30 anni fa, il suo mentore David Pritchard, Cecil e il professore di fisica Ida Green, Ida Green, predissero che il blocco di Pauli avrebbe smorzato il modo in cui alcuni atomi noti come fermioni diffondono la luce.

La sua idea, in generale, era che se gli atomi fossero stati congelati quasi al completamento e compressi in uno spazio sufficientemente stretto, gli atomi si sarebbero comportati come elettroni in gusci energetici imballati, senza spazio per cambiare la loro velocità o posizione. Se i fotoni di luce dovessero fluire, non sarebbero in grado di disperdersi.

Yu-Kun Lu, uno studente laureato, allinea l’ottica per osservare la dispersione della luce dalle nuvole atomiche ultrafredde. Credito: per gentile concessione dei ricercatori

“Un atomo può disperdere un fotone solo se può assorbire la forza del suo calcio, spostandosi su un’altra sedia”, spiega Ketterle, citando l’analogia di sedersi in un anello. “Se tutte le altre sedie sono occupate, non avranno la capacità di assorbire il calcio e disperdere il fotone. Pertanto, gli atomi diventano trasparenti”.

“Questo fenomeno non è stato osservato prima, perché le persone non sono state in grado di formare nuvole abbastanza fredde e abbastanza dense”, aggiunge Ketterle.

“Dominazione del mondo atomico”

Negli ultimi anni, i fisici, compresi quelli del gruppo di Ketterle, hanno sviluppato tecniche magnetiche basate sul laser per abbassare gli atomi a temperature estremamente basse. Dice, il fattore limitante era la densità.

“Se la densità non è abbastanza alta, l’atomo può ancora disperdere la luce saltando su alcuni sedili finché non trova spazio”, afferma Ketterle. “Quello era il collo di bottiglia.”

Nel loro nuovo studio, lui e i suoi colleghi hanno utilizzato tecniche sviluppate in precedenza per congelare prima una nuvola di fermioni, in questo caso uno speciale isotopo dell’atomo di litio, che ha tre elettroni, tre protoni e tre neutroni. Congelano una nuvola di atomi di litio fino a 20 microkelvin, che è circa 1/10000 della temperatura dello spazio interstellare.

“Abbiamo quindi utilizzato un laser altamente focalizzato per comprimere gli atomi ultra-freddi per registrare densità di circa un quadrilione di atomi per centimetro cubo”, spiega Lu.

I ricercatori hanno quindi puntato un altro raggio laser nella nuvola, calibrandolo attentamente in modo che i suoi fotoni non riscaldassero gli atomi molto freddi o cambiassero la loro intensità mentre la luce li attraversava. Infine, hanno usato un obiettivo e una fotocamera per catturare e contare i fotoni che sono riusciti a disperdersi.

“In realtà stiamo contando alcune centinaia di fotoni, il che è davvero sorprendente”, afferma Margalit. “Un fotone è una piccola quantità di luce, ma i nostri dispositivi sono così sensibili che possiamo vederlo come un minuscolo punto luminoso su una fotocamera”.

A temperature progressivamente più basse ea maggiore intensità, gli atomi disperdono sempre meno luce, proprio come prevedeva la teoria di Pritchard. Al loro più freddo, a circa 20 microkelvin, gli atomi erano il 38% più deboli, il che significa che disperdono il 38% di luce in meno rispetto agli atomi più freddi e meno intensi.

“Questo sistema di nuvole molto fredde e molto dense ha altri effetti che possono ingannarci”, afferma Margalit. “Quindi abbiamo passato alcuni mesi buoni a vagliare questi effetti e a metterli da parte, per ottenere la misurazione più chiara”.

Ora che il team ha notato che il blocco di Pauli può effettivamente influenzare la capacità dell’atomo di diffondere la luce, Ketterle afferma che questa conoscenza di base può essere utilizzata per sviluppare materiali con diffusione della luce soppressa, ad esempio per preservare i dati nei computer quantistici.

“Quando controlliamo il mondo quantistico, come nei computer quantistici, la diffusione della luce è un problema e significa che le informazioni fuoriescono dal tuo computer quantistico”, riflette. “Questo è un modo per sopprimere la dispersione della luce e contribuiamo all’idea generale di controllare il mondo atomico”.

Riferimento: “Pauli blocking light scattering in degenere fermions” di Yair Margalit, Yu-Kun Lo e Furkan Shagri-Top e Wolfgang Ketterle, 18 novembre 2021 Disponibile qui. Scienza.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Questa ricerca è stata finanziata in parte dalla National Science Foundation e dal Dipartimento della Difesa. Il lavoro correlato dei team dell’Università del Colorado e dell’Università di Otago appare nello stesso numero di Scienza.