MIT’deki fizikçiler, maddeyi görünmez hale getirmek için temel atomik özelliği kullanıyor

Yeni bir çalışma, atomlar soğutulduğunda ve aşırı derecede sıkıştırıldığında, ışığı dağıtma yeteneklerinin bastırıldığını doğruluyor. Kredi bilgileri: Kristen Danilov, MIT

Ultra yoğun ve ultra soğuk atomlar nasıl görünmez hale gelir?

Yeni bir çalışma, atomlar soğutulduğunda ve aşırı derecede sıkıştırıldığında, ışığı dağıtma yeteneklerinin bastırıldığını doğruluyor.

o MısırElektronlar enerji kabuklarında düzenlenmiştir. Bir arenadaki konser izleyicileri gibi, her elektron bir sandalyeyi işgal eder ve tüm sandalyeleri doluysa daha düşük bir seviyeye inemez. Atom fiziğinin bu temel özelliği Pauli dışlama ilkesi olarak bilinir ve atom zarflarının yapısını, elementlerin periyodik tablosunun çeşitliliğini ve fiziksel evrenin kararlılığını açıklar.

şu anda, İle birlikte Fizikçiler, Pauli dışlama ilkesini veya Pauli dışlama ilkesini tamamen yeni bir şekilde gözlemlediler: Etkinin, bir atom bulutunun ışığı nasıl saçtığını engelleyebileceğini keşfettiler.

Normalde, ışık fotonları bir atom bulutuna girdiğinde, fotonlar ve atomlar bilardo topları gibi dağılabilir, ışığı yaymak için ışığı her yöne dağıtabilir ve böylece bulutu görünür hale getirebilir. Ancak MIT ekibi, atomlar aşırı soğutulduğunda ve aşırı sıkıldığında, Pauli etkisinin başladığını ve parçacıkların ışığı dağıtmak için daha az alana sahip olduğunu kaydetti. Bunun yerine, fotonlar dağılmadan içinden akar.

Pauli Yasağı ilkesi, meydandaki koltukları dolduran insanlara benzetilebilir. Her kişi bir atomu temsil ederken, her koltuk bir kuantum durumunu temsil eder. Daha yüksek sıcaklıklarda (a), atomlar rastgele oturur, böylece her parçacık ışığı dağıtabilir. Daha düşük sıcaklıklarda (b), atomlar bir araya toplanır. Yalnızca kenarda daha fazla alana sahip olanlar ışığı dağıtabilir. Kredi: Araştırmacıların izniyle

Fizikçiler deneylerinde bu etkiyi bir lityum atomu bulutunda gözlemlediler. Daha soğuk ve yoğun hale geldikçe, atomlar daha az ışık saçtı ve giderek daha opak hale geldi. Araştırmacılar, koşulları daha da ileriye taşıyabilirlerse, sıcaklıklara kadar ulaşabileceklerine inanıyorlar. tamamen sıfır, bulut tamamen görünmez olur.

Takım sonuçları bugün açıklandı. Bilim, atomlar tarafından ışık saçılması üzerindeki Pauli bloke edici etkisinin ilk gözlemini temsil eder. Bu etki 30 yıl önce tahmin edilmişti ancak şimdiye kadar gözlenmedi.

Wolfgang Ketterle, Fizik Profesörü John D. “Gözlemlediğimiz şey, Pauli blokajının çok özel ve basit bir biçimidir, bu da atomu tüm atomların doğal olarak yaptığı şeyden, yani ışığın saçılmasından bloke etmesidir. Bu, bu etkinin varlığının ilk açık gözlemidir ve fizikte yeni bir fenomeni gösteriyor.”

Ketterle’nin ortak yazarları, baş yazar ve eski MIT doktora sonrası Yair Margalit, yüksek lisans öğrencisi Yu-kun Lu ve Furkan Top PhD ’20. Ekip, MIT Fizik Bölümü’ne, MIT’nin Harvard Ultracold Atomlar Merkezi’ne ve MIT’nin Araştırma Elektronik Laboratuvarı’na (RLE) aittir.

hafif vuruş

Ketterle 30 yıl önce doktora sonrası doktora olarak MIT’ye geldiğinde, akıl hocası David Pritchard, Cecil ve Ida Green fizik profesörü Ida Green, Pauli engellemesinin fermiyonlar olarak bilinen bazı atomların ışığı dağıtma şeklini azaltacağını öngördü.

Genel olarak onun fikri, atomlar neredeyse tamamlanmak üzere dondurulursa ve yeterince dar bir alana sıkıştırılırsa, atomların hızlarını veya konumlarını değiştirecek yer olmadan paketlenmiş enerji kabuklarındaki elektronlar gibi davranacağıydı. Işık fotonları aksaydı, saçılamazlardı.

Yüksek lisans öğrencisi Yu-Kun Lu, ultra soğuk atom bulutlarından ışığın saçılmasını gözlemlemek için optikleri hizalar. Kredi: Araştırmacıların izniyle

Ketterle, bir halkada oturma benzetmesine atıfta bulunarak, “Bir atom ancak başka bir sandalyeye geçerek tekme kuvvetini emebilirse bir fotonu saçabilir” diye açıklıyor. “Diğer tüm sandalyeler doluysa, tekmeyi absorbe etme ve fotonu dağıtma yeteneğine sahip olmayacaklar. Bu nedenle atomlar şeffaf hale geliyor.”

Ketterle, “Bu fenomen daha önce gözlemlenmedi, çünkü insanlar yeterince soğuk ve yeterince yoğun bulutlar oluşturamadılar” diye ekliyor.

“Atom dünyasının egemenliği”

Son yıllarda, Ketterle’nin grubundakiler de dahil olmak üzere fizikçiler, atomları aşırı soğuk sıcaklıklara düşürmek için lazer tabanlı manyetik teknikler geliştirdiler. Sınırlayıcı faktörün yoğunluk olduğunu söylüyor.

Ketterle, “Yoğunluk yeterince yüksek değilse, atom biraz yer bulana kadar birkaç koltuğun üzerinden atlayarak ışığı dağıtabilir” diyor. “Darboğaz buydu.”

Yeni çalışmalarında, o ve meslektaşları, önce bir fermiyon bulutunu dondurmak için önceden geliştirilmiş teknikleri kullandılar – bu durumda, lityum atomunun üç elektronu, üç protonu ve üç nötronu olan özel bir izotopu. Lityum atomlarından oluşan bir bulutu, yıldızlararası uzayın sıcaklığının yaklaşık 1/10000’i kadar olan 20 mikrokelvin’e kadar dondururlar.

Lu, “Daha sonra, santimetre küp başına yaklaşık bir katrilyon atomun yoğunluğunu kaydetmek için ultra soğuk atomları sıkıştırmak için yüksek oranda odaklanmış bir lazer kullandık” diye açıklıyor.

Araştırmacılar daha sonra buluta başka bir lazer ışını gönderdiler ve onu dikkatlice kalibre ettiler, böylece fotonları çok soğuk atomları ısıtmadı veya ışık içinden geçerken yoğunluklarını değiştirmedi. Sonunda, saçılmayı başaran fotonları yakalamak ve saymak için bir lens ve kamera kullandılar.

Margalit, “Aslında birkaç yüz foton sayıyoruz, bu gerçekten harika” diyor. “Bir foton çok küçük bir ışık miktarıdır, ancak cihazlarımız o kadar hassastır ki onu bir kameradaki küçük bir ışık noktası olarak görebiliriz.”

Gittikçe daha düşük sıcaklıklarda ve daha yüksek yoğunlukta, atomlar, Pritchard’ın teorisinin öngördüğü gibi, giderek daha az ışık saçar. En soğuklarında, yaklaşık 20 mikrokelvinde, atomlar yüzde 38 daha zayıftı, bu da daha soğuk, daha az yoğun atomlardan yüzde 38 daha az ışık saçtıkları anlamına geliyor.

Margalit, “Bu çok soğuk, çok yoğun bulut sisteminin bizi kandırabilecek başka etkileri var” diyor. “Bu yüzden, en net ölçümü elde etmek için bu etkileri elemek ve bir kenara koymak için birkaç ay harcadık.”

Ekip, Pauli blokajının atomun ışığı dağıtma yeteneğini gerçekten etkileyebileceğini fark ettiğine göre, Ketterle bu temel bilginin, örneğin kuantum bilgisayarlarda verileri korumak için, bastırılmış ışık saçılımına sahip materyaller geliştirmek için kullanılabileceğini söylüyor.

“Kuantum bilgisayarlarda olduğu gibi kuantum dünyasını kontrol ettiğimizde, ışık saçılması bir sorundur ve bu, kuantum bilgisayarınızdan bilgi sızdığı anlamına gelir” diye düşünüyor. “Bu, ışık saçılımını bastırmanın bir yoludur ve atom dünyasını kontrol etme genel fikrine katkıda bulunuyoruz.”

Referans: Yair Margalit, Yu-Kun Lo ve Furkan Shagri-Top ve Wolfgang Ketterle, “Pauli dejenere fermiyonlarda ışık saçılımını engelliyor”, 18 Kasım 2021 Buradan ulaşabilirsiniz. Bilim.
DOI: 10.1126 / bilim.abi6153

Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı ve Savunma Bakanlığı tarafından finanse edildi. Colorado Üniversitesi ve Otago Üniversitesi’nden ekipler tarafından yapılan ilgili çalışmalar, aynı sayısında yer almaktadır. Bilim.