Физики экспериментально подтвердили эффект «блокировки Паули», который делает материю невидимой

Существование «блокировки Паули» — квантового явления, при котором плотный квантовый газ внезапно становится прозрачным, —  было предсказано более 30 лет назад, и лишь теперь подтверждено экспериментально.

Сотрудники Массачусетского технологического института использовали лазеры для сжатия и охлаждения газообразного лития до плотностей и температур, достаточно низких для того, чтобы он начал рассеивать значительно меньшее количество света. Если удастся охладить газ до температуры, максимально близкой к абсолютному нулю (- 273 С), он, по мнению авторов исследования, вообще перестанет отражать свет и станет невидимым.

«Мы наблюдали пример блокировки Паули, которая не дает атому сделать то, что предписано атомам по природе — рассеять свет, — отметил старший автор исследования, профессор физики Массачусетского технологического института, нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле. — Это первое экспериментальное доказательство существования эффекта Паули».

Новый метод может быть использован для разработки светоподавляющих материалов, которые смогут предотвращать потерю информации в квантовых компьютерах.

Блокировка Паули зиждется на принципе исключения, сформированном знаменитым австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году: два фермиона не могут занимать одинаковое квантовое состояние.

Принцип Паули относится прежде всего к правилу заполнения электронных оболочек (в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с оди­наковым набором четырех квантовых чи­сел). Также принцип Паули поясняет, почему электроны соседних атомов не слипаются.

Однако, помимо распределения электронов на орбитах, принцип исключения применим и к атомам в фермионном газе.

Как правило, атомы в газовом облаке имеют достаточное количество свободных энергетических уровней. При столкновении атома газа с фотоном атом перейдет на другой энергетический уровень и рассеет фотон света.

Однако если сильно охладить газ, атомы заполнят все доступные низкоэнергетические состояния, формируя при этом тип материи, который называется Ферми-газом. В такой материи частицы скованы друг с другом и не могут подняться на более высокие энергетические уровни или опуститься на более низкие; когда это невозможно, рассеяние света подавляетс. По образному выражению Вольфганг а Кеттерле, атомы в такой ситуации похожи на зрителей, плотно заполнивших концертный зал: «Атом может рассеять фотон, только если поглотит импульс, переместившись со своего стула на свободный, но если все остальные стулья в зале заняты, атом утрачивает способность поглощать удар фотона, а значит, и рассеивать его; таким образом он становится прозрачным».

Довести атомное облако до состояния, описанного выше, крайне сложно. Для этого нужны не только предельно низкие температуры, но и сжатие атомов до рекордной плотности. Исследователи использовали оптическую ловушку и с помощью лазера заморозили облако изотопов ⁶Li до 20 микрокельвинов (что едва превышает абсолютный нуль) и сжали до рекордной плотности (1 квадриллион атомов на кубический сантиметр). Затем на облако направили третий лазерный луч — тщательно откалиброванный, чтобы не изменять температуру или плотность газа. С помощью сверхчувствительной камеры для подсчета количества рассеянных фотонов исследователи установили, что ферми-газ рассеивает свет на 38% меньше, чем тот же газ при комнатной температуре.

Эффект блокировки Паули дает готовый метод разработки светоподавляющих материалов; авторы исследования надеются, что с помощью таких материалов можно будет повысить эффективность квантовых компьютеров. В настоящий момент они теряют информацию (переносимую светом) из-за квантовой декогеренции — нарушения связи или схлопывание квантовой функции при взаимодействии с окружающей средой.

По материала Live Science

Читайте также:

Физики нашли способ озвучивать квантовые эксперименты

В Австралии создали квантовый микроскоп для невидимых вещей