见证30年前的预言 泡利阻塞使原子变得不可见

原子的电子排列在一层层能量壳上，但在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。在原子中完全确定一个电子的状态需要四个量子数，不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。原子物理学的这一基本性质被称为泡利不相容原理，它解释了原子的壳结构、元素周期表的多样性以及物质宇宙的稳定性。

现在，麻省理工学院的物理学家以一种全新的方式观察了泡利不相容原理或泡利阻塞：发现这种效应可以抑制原子云散射光的方式。

通常，当光子穿透一团原子云时，光子和原子可以像台球一样相互撞击，向各个方向散射光发出电磁辐射，从而使原子云可见。然而，麻省理工学院的团队观察到，当原子被过冷冻和超压缩时，泡利效应开始发挥作用，粒子散射光的空间更小。光子会流过，而不会被散射。

在实验中，物理学家在锂原子云中观察到了这种效应。随着它们变得更冷和更密集，原子散射的光越来越少，并且逐渐变暗。研究人员怀疑，如果他们能够将条件进一步推向绝对零度，云将变得完全不可见。

该团队今天在《科学》上报道的结果代表了泡利阻塞对原子光散射影响的首个观察记录。这种效应是在 30 年前预测的，但直到现在才被观察到。

麻省理工学院约翰·D·亚瑟物理学教授Wolfgang Ketterle 表示：“总体而言，泡利阻塞已经得到证实。我们观察到的是泡利阻塞的一种非常特殊和简单的形式，它导致原子偏离所有原子的自然行为：散射光。这是首次明确观察到这种效应存在，它显示了物理学中的新现象。”

Ketterle 的合著者是主要作者和前麻省理工学院博士后 Yair Margalit、研究生 Yu-kun Lu 和 Furkan Top PhD '20。该团队隶属于麻省理工学院物理系、麻省理工学院-哈佛超冷原子中心和麻省理工学院电子研究实验室 (RLE)。

30 年前，当 Ketterle 作为博士后来到麻省理工学院时，他的导师、Cecil 和 Ida Green 物理学教授 David Pritchard 做出预测，即泡利阻塞会抑制某些被称为费米子的原子散射光的方式。

从广义上讲，他的想法是，如果原子被冻结到几乎静止状态并被挤压到足够紧凑的空间中，那么原子的行为就像电子在堆积的能量壳中一样，没有空间改变它们的速度或位置。如果光子流入，它们将无法散射。

“只有移动另一把椅子，原子才能踢开前面的椅子。”Ketterle 引用座位的比喻，“如果所有其他椅子都被固定，它就不再具有散射光子的能力。所以，原子变得透明了。”

“这种现象以前从未被观察到，因为人们无法产生足够冷和足够密集的云，”他补充道。

近年来，包括 Ketterle 小组在内的物理学家开发了磁性和基于激光的技术，将原子降至超低温。他说，限制因素是密度。

“如果密度不够高，一个原子仍然可以通过跳过几把椅子直到找到一些空间来散射光。”Ketterle 说，“密度就是瓶颈所在。”

他和同事使用之前开发的技术首先冻结了费米子云——在这种情况下，是锂原子的一种特殊同位素，它具有三个电子、三个质子和三个中子。他们将一团锂原子冻结到 20 微开尔文，温度约是星际空间温度的 1/100000。

“然后我们使用紧密聚焦的激光挤压超冷原子突破记录，达到每立方厘米约 1000 亿个原子。”Lu 解释道。

然后，研究人员将另一束激光束照射到云中，他们仔细校准，使其光子不会在光穿过时加热超冷原子或改变它们的密度。最后，他们使用镜头和相机来捕获并计算设法散射开的光子。

“我们找到了几百个光子，这真的很神奇，光子的光量很小。但我们的设备非常敏感，以至于我们可以在相机上将它们视为一小团光。”

正如理论所预测的那样，在逐渐变冷的温度和更高的密度下，原子散射的光越来越少。在最冷时，大约 20 微开尔文，原子变暗了 38%。

“这种超冷且非常密集的云还有其他可能会欺骗我们的效应。因此，我们花了几个月的时间来排除这些影响，以获得最清晰的测量结果。”

现在，我们知道泡利阻塞确实会影响原子散射光的能力，Ketterle 说，这一基础知识可用于开发抑制光散射的材料，例如在量子计算机中保存数据。

“每当我们控制量子世界时，就像在量子计算机中一样，光散射就是一个问题，这意味着信息正在从你的量子计算机中泄漏。这是抑制光散射的一种方法，我们正在为控制原子世界的总主题做出贡献。”

这项研究部分由美国国家科学基金会和国防部资助。科罗拉多大学和奥塔哥大学团队的相关工作出现在同一期《科学》上。

https://news.mit.edu/2021/atoms-ultracold-scatter-light-1118

*原子云就是一团原子啦。类似水蒸气(水分子)遇冷变成雾。拿手电照雾气，会有丁达尔效应——形成明亮的光路。这里就是把水分子替换成原子。要问原子怎么呈现气态呢？超低温下原子可以表现得像气体分子一样，这是根据玻色爱因斯坦凝聚态来的。这么一大团气态原子就构成了原子云嘛。拿激光照云，本来也该有光子散射。现在控制压缩原子，导致散射近乎消失。