Как ультрахолодные сверхплотные атомы становятся невидимыми

Электроны атома расположены в энергетических оболочках. Подобно участникам концертов на арене, каждый электрон занимает один стул и не может опуститься на более низкий уровень, если все его стулья заняты. Это фундаментальное свойство атомной физики, известное как принцип исключения Паули, объясняет оболочечную структуру атомов, разнообразие периодической таблицы элементов и стабильность материальной вселенной.


Теперь физики Массачусетского технологического института наблюдали принцип исключения Паули или блокирование Паули совершенно по-новому: они обнаружили, что этот эффект может подавлять то, как облако атомов рассеивает свет.

Обычно, когда фотоны света проникают через облако атомов, частицы могут отлетать друг от друга, как бильярдные шары, рассеивая фотоны во всех направлениях, чтобы излучать свет и, таким образом, сделать облако видимым. Однако команда Массачусетского технологического института заметила, что когда атомы переохлаждены и сжимаются, возникает эффект Паули, и у частиц фактически остается меньше места для рассеивания света. Вместо этого фотоны проходят сквозь него, не рассеиваясь.

В своих экспериментах физики наблюдали этот эффект в облаке атомов лития. По мере того, как они становились холоднее и плотнее, атомы рассеивали меньше света и становились все более тусклыми. Исследователи подозревают, что если бы они смогли увеличить условия до температуры абсолютного нуля, облако стало бы полностью невидимым.

Результаты команды, представленные в Наука, представляют собой первое наблюдение эффекта блокировки Паули на рассеяние света атомами. Этот эффект был предсказан 30 лет назад, но не наблюдался до сих пор.

«Блокировка Паули в целом доказана и абсолютно необходима для стабильности окружающего нас мира», — говорит Вольфганг Кеттерле, профессор физики Джона Д. Артура в Массачусетском технологическом институте. «Мы наблюдали одну очень особенную и простую форму блокировки Паули, которая заключается в том, что она предотвращает атом от того, что все атомы естественным образом сделали бы: рассеивать свет. Это первое четкое наблюдение того, что этот эффект существует, и он показывает новое явление в физике ».

Соавторы Кеттерле — ведущий автор и бывший постдок Массачусетского технологического института Яир Маргалит, аспирант Юкун Лу и Furkan Top PhD ’20. Команда связана с Физическим отделом Массачусетского технологического института, Гарвардским центром ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Исследовательской лабораторией электроники (RLE) Массачусетского технологического института.

Легкий удар

Когда 30 лет назад Кеттерле пришел в Массачусетский технологический институт в качестве постдока, его наставник, Дэвид Причард, профессор физики Сесила и Иды Грин, предсказал, что блокировка Паули подавит то, как некоторые атомы, известные как фермионы, рассеивают свет.