Дивний квантовий ефект, передбачений кілька десятиліть тому, нарешті був продемонстрований-якщо ви зробите хмару газу досить холодним і щільним, ви можете зробити його невидимим.
Вчені массачусетського технологічного інституту (mit) використовували лазери для стиснення і охолодження газоподібного літію до досить низьких густин і температур, щоб він розсіював менше світла. Якщо вони зможуть охолодити хмару ще ближче до абсолютного нуля (мінус 273,15 градуса за цельсієм), вони кажуть, що воно стане повністю невидимим.
Химерний ефект – це перший конкретний приклад квантово-механічного процесу, який називається блокуванням паулі.
” те, що ми спостерігали, – це одна дуже особлива і проста форма блокування паулі, яка полягає в тому, що вона запобігає атом від того, що всі атоми природним чином зробили б: розсіювати світло“, – сказав старший автор дослідження вольфганг кеттерле, професор фізики в массачусетському технологічному інституті. “це перше чітке спостереження того, що цей ефект існує, і це показує нове явище у фізиці“.
Новий метод може бути використаний для розробки світлоподавляючих матеріалів для запобігання втрати інформації в квантових комп’ютерах.
Блокування паулі походить від принципу виключення паулі, вперше сформульованого знаменитим австрійським фізиком вольфгангом паулі в 1925 році. Паулі стверджував, що всі так звані ферміонні частинки, такі як протони, нейтрони і електрони, з однаковим квантовим станом, не можуть існувати в такому ж просторі.
Оскільки на жахливому квантовому рівні існує лише кінцева кількість енергетичних станів, це змушує електрони в атомах складатися в оболонки з більш високими енергетичними рівнями, які обертаються навколо атомних ядер все далі і далі. Він також утримує електрони окремих атомів окремо один від одного, тому що, згідно зі статтею 1967 року, у співавторстві з відомим фізиком фріменом дайсоном, без принципу виключення всі атоми схлопувалися б разом, вивергаючись з величезним вивільненням енергії.
Ці результати не тільки призводять до вражаючої зміни елементів таблиці менделєєва, але і не дозволяють нашим ногам, коли вони стоять на землі, провалюватися крізь землю, в результаті чого ми падаємо в центр землі.
Принцип виключення застосуємо і до атомів в газі. Зазвичай атоми в газовій хмарі мають багато простору, в якому вони можуть підстрибувати, а це означає, що навіть якщо вони можуть бути ферміонами, пов’язаними принципом виключення паулі, для них достатньо вільних рівнів енергії, щоб вони могли перестрибнути, щоб принцип істотно не перешкоджав їх рух. Відправте фотон або легку частинку у відносно теплу газову хмару, і будь-який атом, з яким він зіткнеться, зможе взаємодіяти з ним, поглинаючи його вхідний імпульс, відскакуючи на інший рівень енергії і розсіюючи фотон.
Але остудіть газ, і у вас буде інша історія. Тепер атоми втрачають енергію, заповнюючи всі найнижчі доступні стани і формуючи тип матерії, званий морем фермі. Тепер частинки скуті один з одним і не можуть піднятися на більш високі енергетичні рівні або опуститися на більш низькі.
Але довести атомну хмару до такого стану дуже складно. Для цього не тільки потрібні неймовірно низькі температури, але і потрібно стиснути атоми, щоб зафіксувати щільність. Це було делікатне завдання, тому, захопивши свій газ в атомну пастку, дослідники підірвали його лазером.
У цьому випадку дослідники налаштували фотони в лазерному промені так, щоб вони стикалися тільки з атомами, що рухаються в протилежному їм напрямку, змушуючи атоми сповільнюватися і, отже, остигати. Дослідники заморозили літієву хмару до 20 мікрокельвінів, що трохи вище абсолютного нуля. Потім вони використовували другий, точно сфокусований лазер, щоб стиснути атоми до рекордної щільності приблизно в 1 квадрильйон (1 з 15 нулями) атомів на кубічний сантиметр.
Потім, щоб побачити, наскільки замасковані їх переохолоджені атоми, фізики направили третій і останній лазерний промінь-ретельно відкалібрований, щоб не змінювати температуру або щільність газу – на їх атоми, використовуючи надчутливу камеру для підрахунку кількості розсіяних фотонів. Як і передбачала їх теорія, їх охолоджені і стислі атоми розсіюють на 38% менше світла, ніж атоми при кімнатній температурі, що робить їх значно більш тьмяними.
Дві інші незалежні групи також охолодили два інших газу, а саме калій і стронцій, щоб показати ефект. В експерименті зі стронцієм дослідники блокували збуджені атоми, щоб довше утримувати їх в збудженому стані.
Тепер, коли дослідники нарешті продемонстрували блокуючий ефект паулі, вони могли в кінцевому підсумку використовувати його для розробки матеріалів, що пригнічують світло. Це було б особливо корисно для підвищення ефективності квантових комп’ютерів, яким в даний час перешкоджає квантова декогеренція – втрата квантової інформації (що переноситься світлом) в оточення комп’ютера.
“коли ми контролюємо квантовий світ, як у квантових комп’ютерах, розсіювання світла стає проблемою і означає витік інформації з вашого квантового комп’ютера”, – сказав кеттерле. “це один із способів придушити розсіювання світла, і ми робимо свій внесок у загальну тему управління атомним світом“.
Нагадаємо, раніше повідомлялося, що .
