В лаборатории впервые продемонстрировали странный квантовый эффект «блокировка Паули», предсказанный 30 лет назад и вытекающий из принципа исключения Паули, представленного в 1925 году физиком по имени Паули. Для этого исследователи охладили и сжали облако газа до рекордной плотности, чтобы оно меньше рассеивало свет. В крайнем случае теоретически можно сделать газовое облако невидимым.
Исследование проводилось в лаборатории Массачусетского технологического института (MIT). Там ученые охлаждали и сжимали облако литиевого газа при помощи лазеров. Температура и плотность достигли уровня, позволяющего продемонстрировать явление: рассеяние света внутри газового облака уменьшилось, как предсказал 30 лет назад австрийский физик Вольфганг Паули.
Это первый случай, когда блокировку Паули продемонстрировали прямо. Теоретически, если удастся охладить газовое облако до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273,15 градусов Цельсия), оно станет полностью невидимым.
Две другие независимые команды охладили газ калия и стронция для демонстрации этого эффекта. С помощью стронция исследователи «заморозили» возбужденные атомы, чтобы долгое время оставаться в возбужденном состоянии, используя то же явление. Три работы, демонстрирующие блокировку Паули, были опубликованы 18 ноября в журнале. В квантовых вычислениях метод, дающий этот впечатляющий результат, может быть использован для создания материалов, снижающих или подавляющих рассеяние света, предотвращая тем самым потерю информации.
Блокировка Паули и принцип исключения
Блокирование Паули объясняется принципом исключения Паули, сформулированным в 1925 году. Принцип исключения Паули гласит, что фермионы (протоны, нейтроны и электроны) с одинаковым квантовым состоянием не могут одновременно находиться в одном и том же пространстве. Все фермионы одной системы не могут находиться одновременно в одном и том же месте. квантовом состоянии.
«Мы наблюдаем особую и простую форму блокировки Паули, запрещающую одному атому поступать так же, как это делают остальные атомы в естественных условиях: рассеивать свет. — так заявляет ведущий автор исследования Вольфганг Кеттерле, профессор физики Массачусетского технологического института. Это первый раз, когда наблюдается такой эффект, и это открытие показывает новое явление в физике. «.
Конечное число энергетических состояний на квантовом уровне заставляет электроны в атомах располагаться в «оболочках» более высоких энергетических уровней, вращающихся всё дальше вокруг ядер. Без соблюдения принципа исключения все атомы развалились бы, выбросив массу энергии.
Принцип исключения применим и к атомам в газе. Атомы в газовом облаке имеют достаточно места для разделения. Даже если это фермионы, подчиняющиеся принципу исключения Паули, существует множество незанятых энергетических уровней, на которые они могут перейти.
Фотон, попадая в относительно горячее газовое облако, взаимодействует с любым атомом, поглощая его импульс и возвращаясь на другой энергетический уровень, рассеивая фотон.
Замедление атома, чтобы охладить его
Если охладить и сжать газ, его свойства изменятся. АтомыПотеряв энергию, частицы заполняют все доступные низшие состояния и образуют тип материи, известный как «Ферми-жидкость». Запертые вместе, они не могут подняться на более высокие или опуститься на более низкие энергетические уровни.
Такое состояние исследователи сравнивают с переполненным концертным залом: частицы укладываются плотно друг к другу и не имеют места для движения. Если их ударить, им некуда бежать. Переполнение делает их неспособными взаимодействовать со светом, который просто проходит сквозь них, блокируясь блокадой Паули.
«Атом может разогнать фотон (свет) только при условии, что сможет принять силу его удара и изменить своё положение. «, — объясняет Кеттерле. «При занятости всех остальных мест атом больше не в состоянии поглотить удар и рассейвать фотон. В результате атом становится прозрачным. «.
Достичь такого состояния атомного облака очень сложно: для этого необходимы не только невероятно низкие температуры, но и сжатие атомов до рекордной плотности. Чтобы это осуществить, исследователи настроили фотоны в лазерном луче таким образом, чтобы они сталкивались только с атомами, движущимися в противоположном направлении, замедляя их и охлаждая. Атомы лития были заморожены при температуре 20 микрокельвинов, чуть выше абсолютного нуля, а затем второй высокофокусированный лазер использовался для сжатия атомов до рекордной плотности — около 1 биллиона атомов на кубический сантиметр.
Повышение стабильности квантовых компьютеров
Чтобы выяснить, насколько стали невидимыми переохлаждённые атомы, физики направили на них третий, последний лазерный луч. Его тщательно откалибровали, чтобы не менять температуру или плотность газа. С помощью сверхчувствительной камеры подсчитали количество рассеянных фотонов. Как и предсказывала теория, охлажденные и сжатые атомы рассеивали на 38% меньше света, чем атомы при комнатной температуре, поэтому выглядели значительно менее яркими.
Теперь, когда эффект блокировки Паули продемонстрирован, исследователи объясняют возможность использования его для разработки материалов, которые уменьшают или подавляют рассеяние света. Это было бы особенно полезно для повышения эффективности квантовых компьютеров, которым мешает квантовая декогеренция — потеря квантовой информации в окружающей компьютерной среде. Помещение частей компьютеров в Ферми-жидкость может снизить эту чувствительность и помочь им дольше сохранять свои квантовые состояния, тем самым повышая их стабильность.