Продемонстрирован квантовый эффект, который может сделать материю невидимой

Странный квантовый эффект, предсказанный несколько десятилетий назад, наконец-то был продемонстрирован — если вы сделаете облако газа достаточно холодным и плотным, вы можете сделать его невидимым.

Ученые Массачусетского технологического института (MIT) использовали лазеры для сжатия и охлаждения газообразного лития до достаточно низких плотностей и температур, чтобы он рассеивал меньше света.

Если они смогут охладить облако еще ближе к абсолютному нулю (минус 459,67 градуса по Фаренгейту или минус 273,15 градуса по Цельсию), они говорят, что оно станет полностью невидимым. Причудливый эффект — это первый конкретный пример квантово-механического процесса, называемого блокировкой Паули.

«То, что мы наблюдали, — это одна очень особенная и простая форма блокировки Паули, заключающаяся в том, что она предотвращает атом от того, что все атомы естественным образом сделали бы: рассеивать свет», — сказал старший автор исследования Вольфганг Кеттерле, профессор физики в Массачусетском технологическом институте. в заявлении.

«Это первое четкое наблюдение того, что этот эффект существует, и оно показывает новое явление в физике». Новый метод может быть использован для разработки светоподавляющих материалов для предотвращения потери информации в квантовых компьютерах.

Блокировка Паули исходит из принципа исключения Паули, впервые сформулированного знаменитым австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году. Паули утверждал, что все так называемые фермионные частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, с одинаковым квантовым состоянием, не могут существовать в такое же пространство.

Поскольку на жутком квантовом уровне существует только конечное число энергетических состояний, это заставляет электроны в атомах складываться в оболочки с более высокими энергетическими уровнями, которые вращаются вокруг атомных ядер все дальше и дальше. Он также удерживает электроны отдельных атомов отдельно друг от друга, потому что, согласно статье 1967 года, в соавторстве с известным физиком Фрименом Дайсоном, без принципа исключения все атомы схлопывались бы вместе, извергаясь с огромным высвобождением энергии.

Эти результаты не только приводят к поразительному изменению элементов таблицы Менделеева, но и не позволяют нашим ногам, когда они стоят на земле, проваливаться сквозь землю, в результате чего мы падаем в центр Земли.

Принцип исключения применим и к атомам в газе. Обычно атомы в газовом облаке имеют много пространства, в котором они могут подпрыгивать, а это означает, что даже если они могут быть фермионами, связанными принципом исключения Паули, для них достаточно свободных энергетических уровней, чтобы они могли перепрыгнуть, чтобы принцип существенно не мешал их движению.

Отправьте фотон или легкую частицу в относительно теплое газовое облако, и любой атом, с которым он столкнется, сможет взаимодействовать с ним, поглощая его входящий импульс, отскакивая на другой уровень энергии и рассеивая фотон. Но остудите газ, и у вас будет другая история. Теперь атомы теряют энергию, заполняя все самые низкие доступные состояния и образуя тип материи, называемый морем Ферми.

Теперь частицы скованы друг с другом и не могут подняться на более высокие энергетические уровни или опуститься на более низкие. Исследователи объяснили, что на данный момент они сложены в снаряды, как сидящие посетители концертов на аншлаговой арене, и им некуда деваться, если их ударили. Они настолько упакованы, что частицы больше не могут взаимодействовать со светом. Посылаемый свет блокируется Паули, и он просто проходит сквозь него.

«Атом может рассеять фотон, только если он может поглотить силу своего удара, переместившись на другой стул», — сказал Кеттерле. «Если все остальные стулья заняты, у него больше нет способности поглощать удар и рассеивать фотон. Таким образом, атом становится прозрачным».

Но довести атомное облако до такого состояния очень сложно. Для этого не только нужны невероятно низкие температуры, но и нужно сжать атомы, чтобы зафиксировать плотность. Это была деликатная задача, поэтому, захватив свой газ в атомную ловушку, исследователи взорвали его лазером.

В этом случае исследователи настроили фотоны в лазерном луче так, чтобы они сталкивались только с атомами, движущимися в противоположном им направлении, заставляя атомы замедляться и, следовательно, остывать.

Исследователи заморозили литиевое облако до 20 микрокельвинов, что чуть выше абсолютного нуля. Затем они использовали второй, точно сфокусированный лазер, чтобы сжать атомы до рекордной плотности примерно в 1 квадриллион (1 с 15 нулями) атомов на кубический сантиметр.

Затем, чтобы увидеть, насколько замаскированы их переохлажденные атомы, физики направили третий и последний лазерный луч — тщательно откалиброванный, чтобы не изменять температуру или плотность газа — на их атомы, используя сверхчувствительную камеру для подсчета количества рассеянных фотонов.

Как и предсказывала их теория, их охлажденные и сжатые атомы рассеивают на 38% меньше света, чем атомы при комнатной температуре, что делает их значительно более тусклыми. Две другие независимые группы также охладили два других газа, а именно калий и стронций, чтобы показать эффект. В эксперименте со стронцием исследователи Паули блокировали возбужденные атомы, чтобы дольше удерживать их в возбужденном состоянии.

Все три статьи, демонстрирующие блокировку Паули, были опубликованы 18 ноября в журнале Science. Теперь, когда исследователи наконец продемонстрировали блокирующий эффект Паули, они могли в конечном итоге использовать его для разработки материалов, подавляющих свет. Это было бы особенно полезно для повышения эффективности квантовых компьютеров, которым в настоящее время препятствует квантовая декогеренция — потеря квантовой информации (переносимой светом) в окружение компьютера.

«Когда мы контролируем квантовый мир, как в квантовых компьютерах, рассеяние света становится проблемой и означает утечку информации из вашего квантового компьютера», — сказал Кеттерле. «Это один из способов подавить рассеяние света, и мы вносим свой вклад в общую тему управления атомным миром».