Эксперимент проводился в лаборатории Массачусетского технологического института (MIT), где исследователи охлаждали и сжимали облако литиевого газа с помощью лазеров. Достигнутые температуры и плотности были достаточны для демонстрации явления: рассеяние света внутри газового облака уменьшилось, как и предсказывал 30 лет назад известный австрийский физик Вольфганг Паули.
Это первый случай, когда блокировка Паули была продемонстрирована напрямую. Теоретически, если исследователям удастся еще больше охладить газовое облако до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273,15 градусов Цельсия), оно станет полностью невидимым.
Две другие независимые команды также охладили два других газа, а именно газ калия и стронция, чтобы продемонстрировать этот эффект. С помощью стронция исследователи «заморозили» возбужденные атомы, чтобы они дольше оставались в возбужденном состоянии, используя то же явление. Три работы, демонстрирующие блокировку Паули, были опубликованы 18 ноября в журнале . В квантовых вычислениях метод, обеспечивший этот удивительный эффект, можно было бы использовать для разработки материалов, уменьшающих или подавляющих рассеяние света, чтобы избежать потери информации.
Блокировка Паули и принцип исключения
Блокирование Паули происходит от принципа исключения Паули, впервые сформулированного в 1925 году. Согласно принципу исключения Паули, все так называемые фермионы (протоны, нейтроны и электроны) с одинаковым квантовым состоянием не могут существовать в одном и том же пространстве. Другими словами, все фермионы, принадлежащие одной системе, не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии.
«То, что мы наблюдали, является очень особенной и простой формой блокировки Паули, которая не позволяет одному атому делать то, что все атомы делают естественным образом: рассеивать свет«, — говорится в заявлении ведущего автора исследования Вольфганга Кеттерле, профессора физики Массачусетского технологического института. «Это первое четкое наблюдение того, что такой эффект существует, и оно демонстрирует новое явление в физике«.
Поскольку на квантовом уровне существует лишь конечное число энергетических состояний, это заставляет электроны в атомах складываться в «оболочки» более высоких энергетических уровней, которые вращаются все дальше вокруг атомных ядер. Этот принцип также удерживает электроны отдельных атомов вдали друг от друга, поскольку, согласно , без принципа исключения все атомы разрушились бы вместе, высвободив огромное количество энергии.
Конечно, принцип исключения также применим к атомам в газе. В целом, атомы в газовом облаке имеют достаточно места, чтобы разбежаться, а это означает, что даже если они являются фермионами, связанными принципом исключения Паули, существует достаточно незанятых энергетических уровней, на которые они могут «перепрыгнуть», чтобы этот принцип не сильно препятствовал их движению. Если послать фотон (частицу света) в относительно горячее облако газа, любой атом, с которым он столкнется, сможет взаимодействовать с ним, поглотить входящий импульс, вернуться на другой энергетический уровень и рассеять его.
Замедление атома, чтобы охладить его
Но если охладить и сжать газ, это поведение изменится. Атомы теряют энергию, заполняя все доступные низшие состояния и образуя тип материи, известный как «Ферми-жидкость». После этого частицы оказываются запертыми вместе, не имея возможности подняться на более высокие энергетические уровни или опуститься на более низкие. На этой стадии они укладываются в раковины, как зрители в переполненном концертном зале, и им некуда бежать, если их ударят, объясняют исследователи. Они настолько переполнены, что уже не способны взаимодействовать со светом. Свет, который посылается к ним, блокируется блокадой Паули и просто проходит сквозь нее.
«Атом может рассеять фотон (света) только в том случае, если он может поглотить силу его удара, переместившись на другое место«, — объясняет Кеттерле. «Если все остальные места заняты, он уже не может поглотить удар и рассеять фотон. Таким образом, атом становится прозрачным«.
Но довести атомное облако до такого состояния очень сложно: нужны не только невероятно низкие температуры, но и атомы должны быть сжаты до рекордной плотности. Чтобы добиться этого, исследователи настроили фотоны в лазерном луче таким образом, чтобы они сталкивались только с атомами, движущимися в противоположном направлении от них, тем самым замедляя атомы и охлаждая их. Они заморозили облако лития при температуре 20 микрокельвинов, чуть выше абсолютного нуля, а затем использовали второй высокофокусированный лазер, чтобы сжать атомы до рекордной плотности — около 1 биллиарда (1 и 15 нулей) атомов на кубический сантиметр.
Повышение стабильности квантовых компьютеров
Затем, чтобы увидеть, насколько невидимыми стали переохлажденные атомы, физики направили на атомы третий и последний лазерный луч, тщательно откалиброванный, чтобы не изменить температуру или плотность газа, используя сверхчувствительную камеру для подсчета количества рассеянных фотонов. Как и предсказывала теория, охлажденные и сжатые атомы рассеивали на 38% меньше света, чем атомы при комнатной температуре, что делало их значительно менее яркими.
Теперь, когда эффект блокировки Паули продемонстрирован, исследователи объясняют, что потенциально могут использовать его для разработки материалов, которые уменьшают или подавляют рассеяние света. Это было бы особенно полезно для повышения эффективности квантовых компьютеров, которым в настоящее время мешает квантовая декогеренция — потеря квантовой информации (переносимой светом) в окружающей компьютер среде. Помещение частей компьютеров в Ферми-жидкость может снизить эту чувствительность и помочь им дольше сохранять свои квантовые состояния, тем самым повышая их стабильность.