MIT物理学者は基本的な原子属性を使用して物質を見えないようにします。

超低温、超密度原子が見えなくなる方法

新しい研究によれば、原子が冷却され極端に圧搾されると、光を散乱する能力が抑制される。

NS 原子の電子はエネルギーシェルに配置されています。 スタジアムのコンサートの観客と同様に、各電子は1つの椅子を占めており、すべての椅子がいっぱいになっている場合は下の階に落ちることはできません。 このような原子物理学の基本性質をファウリー排他原理といい、原子の殻構造、周期律表の多様性、物質宇宙の安定性を説明します。

今、 とともに 物理学者は、パウリの排除原理またはパウリの遮断を全く新しい方法で観察した。 彼らはその効果が原子雲が光を散乱させる方法を抑制できることを発見しました。

一般に、光の光子が原子雲を通過するとき、光子と原子はビリヤードのように互いをピンピングし、あらゆる方向に光を散乱させ、光を発散させて雲を見せることができます。 しかし、MITチームは、原子が過冷却され、極端に圧搾されると、パウリ効果が始まり、粒子が効果的に光を散乱するスペースが少ないことを観察しました。 代わりに、光子は散乱せずに通過します。

Pauliブロックの原理は、スタジアムで座席を埋める人のたとえ話として説明できます。 各人は原子を表し、各座席は量子状態を表します。 高温（a）では、原子はランダムに位置しているため、すべての粒子が光を散乱する可能性があります。 低い温度（b）では、原子は一緒に集まります。 エッジの近くにもっとスペースがある人だけが光を散乱できます。 クレジット：研究者の礼儀

彼らの実験では、物理学者たちはリチウム原子雲でこの効果を観察しました。 より冷たくて密度が高くなるにつれて、原子は光を散乱させず、徐々に暗くなった。 研究者は条件をさらに押し付けることができれば 絶対零度、雲は完全に見えなくなります。

今日報告されたチームの結果 科学、原子による光散乱に対するPauli遮断効果の最初の観察を示す。 この効果は30年前に予測されていましたが、これまで観察されませんでした。

MITのジョン・D・アーサー物理学教授Wolfgang Ketterle氏は、「Pauliブロックは一般的に実証されており、私たちの周りの世界の安定性にとって絶対に不可欠です」と述べています。 「私たちが観察したのは、非常に特別で単純な形態のPauli遮断で、すべての原子が自然にすることである光を散乱するのを原子が防止することです。 これはこの効果が存在するという最初の明確な観察であり、物理学における新しい現象を示しています。

Ketterleの共著者は、先輩の著者であり、元MIT博士後の研究者であるYair Margalit、大学院生Yu-kun Lu、およびFurkan Top PhD ’20です。 チームはMIT物理学科、MITハーバード超低温原子センター、MIT電子研究研究所（RLE）に所属しています。

軽いキック

Ketterleが30年前に博士後研究者としてMITに来たとき、彼のメンターであるDavid Pritchard、Cecil、およびIda Greenの物理学教授は、Pauliブロックがフェルミオンとして知られる特定の原子が光を散乱させる方法を抑制すると予測しました。

彼の考えは、広く言えば、原子がほぼ静止状態に凍り付いて十分狭い空間に圧着されると、原子は速度や位置を移動する余地がなく、いっぱいのエネルギーシェルにある電子のように行動するということでした。 光の光子が流入すると散乱できません。

大学院生Yu-Kun Luは、極低温原子雲から散乱する光を観察するために光学系を整列させます。 クレジット：研究者の礼儀

「原子は他の椅子に移動し、蹴りの力を吸収できる場合にのみ光子を散乱させることができます。 「他のすべての椅子が占有されていれば、もはや発車機を吸収し、光子を散乱させる機能はありません。原子が透明になります。」

「この現象は、人々が十分に冷たくて密度の高い雲を生成することができなかったため、以前は観察されなかった」とKetterle氏は付け加えた。

「原子世界を統制する」

近年、ケッタールのグループを含む物理学者は、原子を極低温に下げる磁気およびレーザーベースの技術を開発してきました。 制限要因は密度だったと彼は言います。

「密度が十分に高くなければ、原子価空間が見つかるまでいくつかの椅子を飛び越えて光を散乱させることができます」とKetterleは言います。 「それがボトルネックだった」

新しい研究では、彼と彼の同僚は、以前に開発した技術を使用して最初にフェルミオン雲を凍結しました。 この場合、3つの電子、3つのプロトン、および3つの中性子を含むリチウム原子の特殊同位体です。 彼らはリチウム原子雲を星間空間温度の約1/100,000の20マイクロケルビンで凍結しました。

「その後、密度を記録するために極低温原子を圧搾するために密集したレーザーを使用し、これは立方センチメートル当たり約1000兆原子に達しました」

その後、研究者たちは別のレーザービームを雲に当て、光子が極低温原子を加熱したり、光が通過したときに密度を変えないように慎重に補正した。 最後に、彼らはレンズとカメラを使用して散乱光子を捕捉して計算しました。

「私たちは実際に何百もの光子を数えていますが、これは本当に素晴らしいことです」とMargalitは言います。 「光子は非常に少量の光ですが、私たちの機器はあまりにも敏感で、カメラからそれを小さな光の塊として見ることができます」

Pritchardの理論が予測したように、徐々に低い温度とより高い密度では、原子はますます少ない光を散乱しました。 最も寒い温度の約20マイクロケルビンでは、原子は38％暗くなり、低温で低密度の原子よりも38％少ない光を散乱したことを意味します。

「この極低温と非常に密な雲体制は、私たちを欺くことができる他の効果を持っています」とMargalitは言います。 「それで、私たちは最も明確な測定値を得るために数ヶ月間これらの効果を選別して取り除きました」。

チームは、Pauliブロックが原子の光散乱能力に実際に影響を及ぼす可能性があることを観察したので、この基本的な知識は、例えば量子コンピュータ上のデータを保存するために抑制された光散乱を有する物質を開発するために使用できると述べた。 Ketterleは言います。

「量子コンピュータのような量子世界を制御するたびに、光の散乱が問題であり、これは情報が量子コンピュータから漏れることを意味します」と彼は考えています。 「これは光の散乱を抑制する一つの方法であり、我々は原子の世界を制御するという一般的なテーマに貢献しています.」

参照：Yair Margalit、Yu-Kun Lu、Furkan Çagri Top、およびWolfgang Ketterleの「退化フェルミオンにおける光散乱のパウリ遮断」、2021年11月18日、 科学。
DOI：10.1126/science.abi6153

この研究は部分的に国立科学財団と国防省の支援を受けました。 コロラド大学とオタゴ大学のチームの関連研究は同じ号に表示されます。 科学。