Странен квантов ефект, който бе предвиден преди десетилетия, най-сетне бе демонстриран - облак от газ от охладени и притиснати до крайност атоми, може да стане невидим.
Учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) с помощта на лазери, за да притиснат и охладят литиевия газ до плътност и температури, достатъчно ниски, че да разсейва по-малко светлина. Ако успеят да охладят облака още по-близо до абсолютната нула (минус 273,15 градуса по Целзий), те казват, че той ще стане напълно невидим.
Странният ефект е първият в историята конкретен пример за квантовомеханичен процес, наречен принцип на Паули (или принцип на забраната на Паули). Този принцип е формулиран за първи път от известния австрийски физик Волфганг Паули през 1925 г. Паули твърди, че всички така наречени фермиони. материални частици като протони, неутрони и електрони с едно и също квантово състояние помежду си не могат да съществуват на едно и също място.
Електроните на атома са подредени в енергийни обвивки. Подобно на зрителите на театър, всеки електрон заема само едно място и не може да падне до по-ниско ниво (да седне по-близо до сцената), ако всичките места са заети.
Това основно свойство на атомната физика позволява на електроните на отделни атоми да са разделени един от друг, защото според статия от 1967 в съавторство с известния физик Фрийман Дайсън (познат най-вече със "сферата на Дайсън"), без принципа на забраната на Паули всички атоми ще се съберат заедно, което ще бъде съпроводено с огромно отделяне на енергия.
Тези резултати обясняват структурата на обвивката на атомите, но и произвеждат невероятното разнообразие на елементите на периодичната таблица. На този принцип се крепи стабилността на материалната вселена и например се предотвратяват пропадането ни през земята до нейния център.
Принципът на забраната важи и за атомите в газ. Обикновено атомите в газовия облак имат много място за движение, което означава, че въпреки че може да са фермиони, обвързани с принципа на Паули, има достатъчно незаети енергийни нива, в които да скочат, за да не възпрепятства принципът на Паули тяхното движение. Когато фотони (светлинни частици) в относително топъл газов облак, те ще взаимодействат с атомите, поглъщайки входящия импулс като отиват на друго енергийно ниво и разпръскват светлината във всички посоки и по този начин правят облака видим.
Екипът на MIT обаче забелязва, че когато атомите са преохладени и под свръхналягане, атомите губят енергия. Тогава се задейства ефектът на Паули- запълват се всички най-ниски налични състояния и се образува вид материя, наречена море на Ферми. Частиците вече са плътно една до друга, не могат да се придвижат до по-високи енергийни нива или да паднат на по-ниски.
В този момент те са подредени в енергийните нива като седналите посетители на театър в разпродадена зала и няма къде да отидат, ако бъдат ударени, обясняват изследователите. Те са толкова плътно, че частиците вече не могат да взаимодействат със светлината. Светлината, която се изпраща, просто преминава през газа.
„Един атом може да разпръсне фотон само ако може да абсорбира силата на удара му, като се премести на друг стол“, разказва Кетерле. "Ако всички останали столове са заети, той вече няма способността да абсорбира удара и да разпръсне фотона. Така атомът става прозрачен"
Но да се докара атомен облак до това състояние е много трудно. Нужни са не само невероятно ниски температури, но също така се изисква атомите да са притиснати до рекордни плътности. Това е деликатна задача, така че след като улавят газа в капан, изследователите насочват към него лазер.
В този случай изследователите настройват фотоните в лазерния лъч, така че да се сблъскват само с атоми, движещи се в обратна посока на тях, което кара атомите да се забавят и следователно да се охладят. Температурата на литиевия облак достига до 20 микрокелвина, което е малко над абсолютната нула. След това учените използват втори, плътно фокусиран лазер, за да притисне атомите до рекордна плътност от приблизително 1 квадрилион (1 с 15 нули) атома на кубичен сантиметър.
След това, за да разберат колко са видими свръхохладените атоми, физиците ги осветяват с трети и последен лазерен лъч - внимателно калибриран, за да не се променя температурата или плътността на газа, използвайки свръхчувствителна камера за преброяване на броя на разпръснатите фотони.
Както предвиждаше тяхната теория, охладените и плътни атоми разпръскват 38% по-малко светлина от тези при стайна температура, което ги направи значително по-невидими.
Два други независими екипа също охлаждат два други газа, от калиеви и стронциеви атоми, за да покажат ефекта. И трите статии, демонстриращи принципа на Паули, са публикувани на 18 ноември в списание Science.
"Това, което сме наблюдавали и е една много специална и проста форма на забраната на Паули, която се състои в това, че пречи на атома да прави това, което всички атоми естествено правят: да разсейват светлина", обяснява водещият автор Волфганг Кетерле (Wolfgang Ketterle), професор по физика в Масачузетския технологичен институт (MIT). "Това е първото ясно наблюдение, че този ефект съществува и показва ново явление във физиката."
Новата техника може да се използва за разработване на материали, потискащи светлината, за да се предотврати загубата на информация в квантовите компютри.
Pauli blocking of light scattering in degenerate fermions
YAIR MARGALIT, YU-KUN LU, FURKAN ÇAĞRI TOP, WOLFGANG KETTERLE, SCIENCE, 18 Nov 2021, Vol 374, Issue 6570, pp. 976-979,
DOI: 10.1126/science.abi6153
Observation of Pauli blocking in light scattering from quantum degenerate fermions
AMITA B. DEB AND NIELS KJÆRGAARD, SCIENCE, 18 Nov 2021, Vol 374, Issue 6570, pp. 972-975,
DOI: 10.1126/science.abh3470
Pauli blocking of atom-light scattering
CHRISTIAN SANNER, LINDSAY SONDERHOUSE, ROSS B. HUTSON, LINGFENG YAN, WILLIAM R. MILNER, JUN YE, SCIENCE, 18 Nov 2021, Vol 374, Issue 6570, pp. 979-983,
DOI: 10.1126/science.abh3483
How ultracold, superdense atoms become invisible , Jennifer Chu | MIT News Office
Weird quantum effect that can turn matter invisible finally demonstrated, Ben Turner, Live Science
