Bagaimana atom ultra-padat dan ultra-dingin menjadi tidak terlihat

Sebuah studi baru menegaskan bahwa ketika atom didinginkan dan dikompresi secara ekstrim, kemampuan mereka untuk menyebarkan cahaya ditekan.

itu JagungElektron diatur dalam kulit energi. Seperti penonton konser di arena, setiap elektron menempati satu kursi dan tidak dapat turun ke tingkat yang lebih rendah jika semua kursinya terisi. Sifat dasar fisika atom ini dikenal sebagai prinsip pengecualian Pauli, dan ini menjelaskan struktur selubung atom, keragaman tabel periodik unsur, dan stabilitas alam semesta fisik.

saat ini, Dengan Fisikawan telah mengamati prinsip pengecualian Pauli, atau pengecualian Pauli, dengan cara yang sama sekali baru: mereka menemukan bahwa efeknya dapat menghalangi bagaimana awan atom menghamburkan cahaya.

Biasanya, ketika foton cahaya menembus awan atom, foton dan atom dapat menyebar seperti bola bilyar, menyebarkan cahaya ke segala arah untuk memancarkan cahaya, sehingga membuat awan terlihat. Namun, tim MIT mencatat bahwa ketika atom didinginkan dan sangat ditekan, efek Pauli muncul dan partikel memiliki lebih sedikit ruang untuk menyebarkan cahaya. Sebaliknya, foton mengalir melaluinya tanpa tersebar.

Prinsip Larangan Pauli dapat diilustrasikan dengan analogi orang-orang yang mengisi kursi di alun-alun. Setiap orang mewakili atom, sementara setiap kursi mewakili keadaan kuantum. Pada suhu yang lebih tinggi (a), atom-atom duduk secara acak, sehingga setiap partikel dapat menghamburkan cahaya. Pada suhu yang lebih rendah (b), atom-atom menggumpal. Hanya mereka yang memiliki lebih banyak ruang di dekat tepi yang dapat menyebarkan cahaya. Kredit: Atas perkenan para peneliti

Fisikawan dalam eksperimen mereka mengamati efek ini di awan atom lithium. Saat menjadi lebih dingin dan lebih padat, atom menyebarkan lebih sedikit cahaya dan secara bertahap menjadi lebih buram. Para peneliti percaya bahwa jika mereka dapat mendorong kondisi lebih jauh, ke suhu hingga nol mutlak, awan akan menjadi sama sekali tidak terlihat.

Hasil tim dilaporkan hari ini di Sains, merupakan pengamatan pertama dari efek pemblokiran Pauli pada hamburan cahaya oleh atom. Efek ini diprediksi 30 tahun yang lalu tetapi belum diamati sampai sekarang.

Wolfgang Ketterle, Profesor Fisika di John D. “Apa yang kami amati adalah bentuk pemblokiran Pauli yang sangat khusus dan sederhana, yaitu memblokir atom dari apa yang dilakukan semua atom secara alami: hamburan cahaya. Ini adalah pengamatan pertama yang jelas tentang keberadaan efek ini, dan ini menunjukkan a fenomena baru dalam fisika.”

Rekan penulis Ketterle adalah penulis utama dan mantan peneliti postdoctoral MIT Yair Margalit, mahasiswa pascasarjana Yu-kun Lu, dan Furkan Top PhD ’20. Tim milik Departemen Fisika MIT, Pusat Harvard MIT untuk Atom Ultracold, dan Laboratorium Elektronik Penelitian (RLE) MIT.

tendangan ringan

Ketika Ketterle datang ke MIT sebagai postdoc 30 tahun yang lalu, mentornya David Pritchard, Cecil, dan profesor fisika Ida Green Ida Green, meramalkan bahwa pemblokiran Pauli akan meredam cara atom tertentu yang dikenal sebagai fermion menyebarkan cahaya.

Idenya, secara umum, adalah bahwa jika atom dibekukan hingga hampir berhenti total dan dikompresi ke dalam ruang yang cukup sempit, atom akan berperilaku seperti elektron dalam cangkang energi yang dikemas, tanpa ruang untuk mengubah kecepatan atau posisinya. Jika foton cahaya mengalir, mereka tidak akan bisa menyebar.

Yu-Kun Lu, seorang mahasiswa pascasarjana, menyelaraskan optik untuk mengamati hamburan cahaya dari awan atom yang sangat dingin. Kredit: Atas perkenan para peneliti

“Sebuah atom hanya dapat menyebarkan foton jika dapat menyerap kekuatan tendangannya, dengan berpindah ke kursi lain,” jelas Ketterle, mengutip analogi duduk di atas sebuah cincin. “Jika semua kursi lain ditempati, mereka tidak akan memiliki kemampuan untuk menyerap tendangan dan menyebarkan foton. Oleh karena itu, atom menjadi transparan.”

“Fenomena ini belum pernah diamati sebelumnya, karena manusia belum mampu membentuk awan yang cukup dingin dan cukup padat,” tambah Ketterle.

“Dominasi dunia atom”

Dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan termasuk dalam kelompok Ketterle telah mengembangkan teknik magnetik berbasis laser untuk menurunkan atom ke suhu yang sangat dingin. Dia mengatakan, faktor pembatasnya adalah kepadatan.

“Jika kepadatannya tidak cukup tinggi, atom masih dapat menyebarkan cahaya dengan melompati beberapa kursi sampai menemukan ruang,” kata Ketterle. “Itulah hambatannya.”

Dalam studi baru mereka, ia dan rekan-rekannya menggunakan teknik yang dikembangkan sebelumnya untuk membekukan awan fermion terlebih dahulu — dalam hal ini, isotop khusus atom litium, yang memiliki tiga elektron, tiga proton, dan tiga neutron. Mereka membekukan awan atom lithium hingga 20 mikrokelvin, yaitu sekitar 1/10.000 suhu ruang antarbintang.

“Kami kemudian menggunakan laser yang sangat terfokus untuk memampatkan atom ultra-dingin untuk merekam kepadatan sekitar satu kuadriliun atom per sentimeter kubik,” jelas Lu.

Para peneliti kemudian menyorotkan sinar laser lain ke awan, dengan hati-hati mengkalibrasinya sehingga foton tidak memanaskan atom yang sangat dingin atau mengubah intensitasnya saat cahaya melewatinya. Akhirnya, mereka menggunakan lensa dan kamera untuk menangkap dan menghitung foton yang berhasil dihamburkan.

“Kami sebenarnya menghitung beberapa ratus foton, yang benar-benar menakjubkan,” kata Margalit. “Sebuah foton adalah sejumlah kecil cahaya, tetapi perangkat kami sangat sensitif sehingga kami dapat melihatnya sebagai titik cahaya kecil pada kamera.”

Pada suhu yang semakin rendah dan intensitas yang lebih tinggi, atom semakin sedikit menyebarkan cahaya, seperti yang diprediksi oleh teori Pritchard. Pada suhu terdingin, sekitar 20 mikrokelvin, atom 38 persen lebih lemah, yang berarti mereka menyebarkan cahaya 38 persen lebih sedikit daripada atom yang lebih dingin dan kurang intens.

“Sistem awan yang sangat dingin dan sangat padat ini memiliki efek lain yang dapat menipu kita,” kata Margalit. “Jadi kami menghabiskan beberapa bulan untuk memilah-milah efek ini dan mengesampingkannya, untuk mendapatkan pengukuran yang paling jelas.”

Sekarang tim telah mengamati bahwa pemblokiran Pauli benar-benar dapat mempengaruhi kemampuan atom untuk menyebarkan cahaya, Ketterle mengatakan pengetahuan dasar ini dapat digunakan untuk mengembangkan bahan dengan hamburan cahaya yang ditekan, misalnya untuk menyimpan data di komputer kuantum.

“Ketika kita mengendalikan dunia kuantum, seperti di komputer kuantum, hamburan cahaya menjadi masalah, dan itu berarti informasi bocor dari komputer kuantum Anda,” dia merenungkan. “Ini adalah salah satu cara untuk menekan hamburan cahaya, dan kami berkontribusi pada gagasan umum untuk mengendalikan dunia atom.”

Referensi: “Pauli menghalangi hamburan cahaya dalam fermion yang merosot” Oleh Yair Margalit, Yu-Kun Lo, Furkan Shagri-top dan Wolfgang Ketterle, 18 November 2021, Tersedia di sini. Sains.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Penelitian ini didanai sebagian oleh National Science Foundation dan Departemen Pertahanan. Pekerjaan terkait oleh tim dari University of Colorado dan University of Otago muncul dalam edisi yang sama dari Sains.