Oamenii de știință au detectat în cele din urmă un efect cuantic care blochează atomii să împrăștie lumina

Un nor de atomi ultrareci este ca un motel cu un semn neon „nicio vacanță”.

Dacă un oaspete de la motel vrea să schimbe camera, nu are noroc. Fără camere libere înseamnă că nu ai de ales decât să stai pe loc. De asemenea, în experimentele noi, atomii încadrați în condiții de aglomerație nu au nicio modalitate de a-și schimba stările cuantice. Această constrângere înseamnă că atomii nu împrăștie lumina așa cum ar face-o în mod normal, au raportat trei echipe de cercetători în 19 noiembrie. Ştiinţă. Prezetat cu mai bine de trei decenii în urmă, acest efect a fost văzut acum pentru prima dată.

În circumstanțe normale, atomii interacționează ușor cu lumina. Luminează un fascicul de lumină pe un nor de atomi și ei vor împrăștia o parte din acea lumină în toate direcțiile. Acest tip de împrăștiere a luminii este un fenomen comun: se întâmplă în atmosfera Pământului. „Vedem cerul albastru din cauza radiațiilor împrăștiate de la soare”, spune Yair Margalit, care a făcut parte din echipa de la MIT care a efectuat unul dintre experimente.

Dar fizica cuantică iese în prim-plan în norii atomici ultrareci și denși. „Modul în care interacționează cu lumina sau împrăștie lumina este diferit”, spune fizicianul Amita Deb de la Universitatea Otago din Dunedin, Noua Zeelandă, coautor al altuia dintre studii.

Conform unei reguli numite principiul excluderii Pauli, atomii din experimente nu pot lua aceeași stare cuantică – și anume, ei nu pot avea același impuls ca un alt atom din experiment (SN: 5/19/20). Dacă atomii sunt strânși împreună într-un nor dens și răciți până aproape de zero absolut, ei se vor instala în stările cuantice cu cea mai joasă energie. Acele stări cu energie scăzută vor fi complet umplute, ca un motel fără camere deschise.

Când un atom împrăștie lumină, primește un impuls, schimbându-și starea cuantică, deoarece trimite lumina în altă direcție. Dar dacă atomul nu își poate schimba starea din cauza condițiilor de aglomerație, nu va împrăștia lumina. Norul atomic devine mai transparent, lasand lumina sa treaca in loc sa o imprastie.

Pentru a observa efectul, Margalit și colegii au transmis lumină printr-un nor de atomi de litiu, măsurând cantitatea de lumină pe care a împrăștiat-o. Apoi, echipa a scăzut temperatura pentru ca atomii să umple cele mai scăzute stări de energie, suprimând împrăștierea luminii. Pe măsură ce temperatura a scăzut, atomii au împrăștiat cu 37% mai puțină lumină, ceea ce indică faptul că mulți atomi au fost împiedicați să împrăștie lumina. (Unii atomi pot încă împrăștia lumina, de exemplu dacă sunt aruncați în stări cuantice de energie superioară care sunt neocupate.)

Într-un alt experiment, fizicianul Christian Sanner de la institutul de cercetare JILA din Boulder, Colorado, și colegii săi au studiat un nor de atomi de stronțiu ultrareci. Cercetătorii au măsurat câtă lumină a fost împrăștiată la unghiuri mici, pentru care atomii sunt împinsi mai puțin de lumină și, prin urmare, sunt și mai puțin probabil să poată găsi o stare cuantică neocupată. La temperaturi mai scăzute, atomii împrăștiau jumătate din cantitatea de lumină decât la temperaturi mai ridicate.

Al treilea experiment, realizat de Deb și de fizicianul Niels Kjærgaard, tot de la Universitatea din Otago, a măsurat o scădere similară de împrăștiere într-un nor de atom de potasiu ultrarece și o creștere corespunzătoare a cantității de lumină transmisă prin nor.

Deoarece principiul de excludere Pauli guvernează și modul în care se comportă electronii, protonii și neutronii, este responsabil pentru structura atomilor și a materiei așa cum o cunoaștem. Aceste noi rezultate dezvăluie principiul larg într-un context nou, spune Sanner. „Este fascinant pentru că arată un principiu foarte fundamental în natură la locul de muncă.”

Lucrarea sugerează, de asemenea, noi modalități de a controla lumina și atomii. „S-ar putea imagina o mulțime de aplicații interesante”, spune fizicianul teoretician Peter Zoller de la Universitatea din Innsbruck din Austria, care nu a fost implicat în cercetare. În special, împrăștierea luminii este strâns legată de un proces numit emisie spontană, în care un atom într-o stare de înaltă energie se descompune la o energie mai mică prin emiterea de lumină. Rezultatele sugerează că dezintegrarea ar putea fi blocată, mărind durata de viață a stării energetice. O astfel de tehnică ar putea fi utilă pentru stocarea informațiilor cuantice pentru o perioadă mai lungă de timp decât este posibil în mod normal, de exemplu într-un computer cuantic.

Până acum, aceste aplicații sunt încă teoretice, spune Zoller. „Cât de realiști sunt ei este ceva de explorat în viitor.”