Ein seltsamer Quanteneffekt, der vor Jahrzehnten vorhergesagt wurde, wurde endlich gezeigt: Wenn man eine Gaswolke kalt und dicht genug macht, kann man sie unsichtbar machen.
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) verwendeten Laser zum Quetschen und Kühlen Lithium Gasdichten und Temperaturen niedrig genug, um weniger Licht zu verbreiten. Wenn sie die Wolke noch näher an den absoluten Nullpunkt (minus 459,67 Grad Fahrenheit oder minus 273,15 Grad Celsius) abkühlen können, wird sie angeblich völlig unsichtbar.
Der bizarre Effekt ist das allererste konkrete Beispiel für a Quantenmechanik Prozess namens Pauli-Blockierung.
„Was wir beobachtet haben, ist eine ganz besondere und einfache Form der Pauli-Blockierung, d.h. sie verhindert ein Atom von dem, was alle Atome natürlich tun würden: Licht streuen“, studierte Erstautor Wolfgang Ketterle, Professor für Physik am MIT, sagte in einer Pressemitteilung. „Dies ist die erste klare Beobachtung, dass dieser Effekt existiert, und er zeigt ein neues Phänomen in der Physik.“
Die neue Technik könnte verwendet werden, um Lichtunterdrückungsmaterialien zu entwickeln, um den Informationsverlust in Quantencomputern zu verhindern.
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Die Pauli-Blockierung kommt vom Pauli-Ausschlussprinzip, das erstmals 1925 von dem berühmten österreichischen Physiker Wolfgang Pauli formuliert wurde. Pauli postulierte, dass alle sogenannten Fermion-Teilchen – wie Protonen, Neutronen und Elektronen – mit demselben Quantenzustand nicht im selben miteinander existieren können Platz.
Weil es auf dem erschreckenden Quantenniveau nur eine endliche Anzahl von Energiezuständen gibt, zwingt es die Elektronen in den Atomen, sich in Schalen höherer Energieniveaus anzuhäufen, die immer weiter um Atomkerne kreisen. Es hält auch die Elektronen der Atome voneinander getrennt, denn nach einem 1967 Papier von dem renommierten Physiker Freeman Dyson mitgeschrieben wurde, würden ohne das Ausschlussprinzip alle Atome zusammenfallen und dabei in eine riesige Energiefreisetzung platzen.
Diese Ergebnisse führen nicht nur zu der überraschenden Variation der Elemente der Periodensystem aber auch um zu verhindern, dass unsere Füße, wenn sie auf dem Boden stehen, durch den Boden fallen und uns in die der Erde Center.
Das Ausschlussprinzip gilt auch für Atome in einem Gas. Normalerweise haben Atome in einer Gaswolke viel Platz zum Abprallen, was bedeutet, dass, obwohl es sich um Fermionen handelt, die durch das Pauli-Ausschlussprinzip verbunden sind, genügend unbesetzte Energieniveaus vorhanden sind, in denen sie springen können, damit das Prinzip nicht stört bedeutend. ihre Bewegung. Schicken Sie ein Photon oder Lichtteilchen in eine relativ heiße Gaswolke, und jedes Atom, mit dem es kollidiert, kann mit ihm interagieren, seinen eingehenden Impuls absorbieren, sich auf ein anderes Energieniveau zurückziehen und das Photon streuen.
Aber kühlen Sie ein Gas, und Sie haben eine andere Geschichte. Jetzt verlieren die Atome Energie, füllen alle der niedrigsten verfügbaren Zustände und bilden eine Art Materie, die Fermi-See genannt wird. Die Teilchen sind jetzt von einander umgeben und können sich nicht auf höhere Energieniveaus bewegen oder auf niedrigere Niveaus absteigen.
Zu diesem Zeitpunkt sind sie wie Zuschauer in einer ausverkauften Arena in Muscheln gestapelt und können nirgendwo hin, wenn sie getroffen werden, erklärten die Forscher. Sie sind so verpackt, dass die Teilchen nicht mehr mit dem Licht interagieren können. Das gesendete Licht wird von Pauli blockiert und geht einfach durch.
„Ein Atom kann ein Photon nur streuen, wenn es die Kraft seines Stoßes absorbieren kann und sich auf einen anderen Stuhl bewegt“, sagte Ketterle. „Wenn alle anderen Stühle besetzt sind, hat es nicht mehr die Fähigkeit, den Kick zu absorbieren und das Photon zu streuen. Das Atom wird also transparent.“
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Aber es ist sehr schwierig, eine Atomwolke in diesen Zustand zu bringen. Es erfordert nicht nur unglaublich niedrige Temperaturen, sondern erfordert auch, dass Atome komprimiert werden, um Dichten zu registrieren. Es war eine heikle Aufgabe, und nachdem die Forscher ihr Gas in einer Atomfalle gefangen hatten, zündeten sie es mit einem Laser.
Dabei stellen die Forscher die Photonen im Laserstrahl so ein, dass sie nur mit Atomen kollidieren, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen, was die Atome verlangsamt und dadurch abkühlt. Die Forscher haben ihre Lithiumwolke bei 20 Mikrokelvin eingefroren, was knapp über dem absoluten Nullpunkt liegt. Dann benutzten sie einen zweiten, eng fokussierten Laser, um die Atome auf eine Rekorddichte von etwa 1 Billiarde (1 gefolgt von 15 Nullen) Atomen pro Kubikzentimeter zu pressen.
Um zu sehen, wie maskiert ihre unterkühlten Atome geworden waren, richteten die Physiker dann einen dritten und letzten Laserstrahl – sorgfältig kalibriert, um die Temperatur oder Dichte des Gases nicht zu verändern – auf ihre Atome, indem sie eine hypersensible Kamera verwendeten, um die Anzahl der gestreuten Photonen zu zählen . . Wie ihre Theorie vorhersagte, streuten ihre gekühlten und komprimierten Atome 38 % weniger Licht als diejenigen bei Raumtemperatur, wodurch sie erheblich dunkler wurden.
Zwei andere unabhängige Teams kühlten auch zwei andere Gase, nämlich Kalium und Strontium, um die Wirkung ebenfalls zu zeigen. Im Strontium-Experiment blockierten die Pauli-Forscher angeregte Atome, um sie länger im angeregten Zustand zu halten. Alle Drei Papiere die die Pauli-Blockade demonstrieren, wurden am 18. November in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Nachdem die Forscher nun endlich den Pauli-Blockierungseffekt nachgewiesen haben, könnten sie ihn möglicherweise nutzen, um Materialien zu entwickeln, die Licht unterdrücken. Dies wäre besonders nützlich, um die Effizienz von Quantencomputern zu verbessern, die derzeit durch Quantendekohärenz behindert werden – den Verlust von Quanteninformationen (durch Licht übertragen) in der Umgebung eines Computers.
„Immer wenn wir die Quantenwelt kontrollieren, wie bei Quantencomputern, ist die Lichtstreuung ein Problem und bedeutet, dass Informationen aus Ihrem Quantencomputer austreten“, sagte Ketterle. „Es ist eine Möglichkeit, die Streuung von Licht zu unterdrücken, und wir tragen zum allgemeinen Thema der Kontrolle der atomaren Welt bei.“
Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.
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