Cómo los átomos ultra densos y ultrafríos se vuelven invisibles

Un nuevo estudio confirma que cuando los átomos se enfrían y se comprimen al extremo, se suprime su capacidad para dispersar la luz.

ese maízLos electrones están dispuestos en capas de energía. Como los asistentes a un concierto en una arena, cada electrón ocupa una silla y no puede descender a un nivel inferior si todas sus sillas están ocupadas. Esta propiedad fundamental de la física atómica se conoce como el principio de exclusión de Pauli y explica la estructura de las envolturas de los átomos, la diversidad de la tabla periódica de los elementos y la estabilidad del universo físico.

en la actualidad, Con Los físicos han observado el principio de exclusión de Pauli, o exclusión de Pauli, de una manera completamente nueva: descubren que el efecto puede bloquear la forma en que una nube de átomos dispersa la luz.

Normalmente, cuando los fotones de luz penetran en una nube de átomos, los fotones y átomos pueden dispersarse como bolas de billar, dispersando la luz en todas direcciones para irradiar la luz, haciendo así visible la nube. Sin embargo, el equipo del MIT notó que cuando los átomos están sobreenfriados y ultra-comprimidos, el efecto Pauli se activa y las partículas tienen menos espacio para dispersar la luz. En cambio, los fotones fluyen a través de él sin dispersarse.

El principio de prohibición de Pauli puede ilustrarse mediante una analogía con las personas que ocupan los asientos en la plaza. Cada persona representa un átomo, mientras que cada asiento representa un estado cuántico. A temperaturas más altas (a), los átomos se sientan al azar, de modo que cada partícula puede dispersar la luz. A temperaturas más bajas (b), los átomos se agrupan. Solo aquellos con más espacio cerca del borde pueden dispersar la luz. Crédito: Cortesía de los investigadores.

Los físicos en sus experimentos observaron este efecto en una nube de átomos de litio. A medida que se enfriaba y se volvía más denso, los átomos dispersaban menos luz y gradualmente se volvían más opacos. Los investigadores creen que si pueden impulsar las condiciones aún más, a temperaturas de hasta cero absoluto, la nube se volverá completamente invisible.

Los resultados del equipo se informaron hoy en Ciencias, representa la primera observación del efecto de bloqueo de Pauli sobre la dispersión de la luz por los átomos. Este efecto se predijo hace 30 años, pero no se ha observado hasta ahora.

Wolfgang Ketterle, profesor de física en el John D. “Lo que hemos observado es una forma muy especial y simple de bloqueo de Pauli, que es que bloquea al átomo de lo que todos los átomos hacen naturalmente: la dispersión de la luz. Esta es la primera observación clara de la existencia de este efecto, y muestra un nuevo fenómeno en física “.

Los coautores de Ketterle son el autor principal y ex postdoctorado del MIT Yair Margalit, el estudiante graduado Yu-kun Lu y Furkan Top PhD ’20. El equipo pertenece al Departamento de Física del MIT, al Centro Harvard para Átomos Ultrafríos del MIT y al Laboratorio de Electrónica de Investigación (RLE) del MIT.

patada ligera

Cuando Ketterle llegó al MIT como postdoctorado hace 30 años, su mentor David Pritchard, Cecil y la profesora de física Ida Green, Ida Green, predijeron que el bloqueo de Pauli atenuaría la forma en que ciertos átomos conocidos como fermiones dispersan la luz.

Su idea, en general, era que si los átomos se congelaban casi hasta el final y se comprimían en un espacio lo suficientemente estrecho, los átomos se comportarían como electrones en capas de energía empaquetadas, sin espacio para cambiar su velocidad o posición. Si los fotones de luz fluyeran, no podrían dispersarse.

Yu-Kun Lu, un estudiante de posgrado, alinea la óptica para observar la dispersión de la luz de las nubes de átomos ultrafríos. Crédito: Cortesía de los investigadores.

“Un átomo solo puede dispersar un fotón si puede absorber la fuerza de su patada, moviéndose a otra silla”, explica Ketterle, citando la analogía de sentarse en un anillo. “Si todas las demás sillas están ocupadas, no tendrán la capacidad de absorber la patada y dispersar el fotón. Por lo tanto, los átomos se vuelven transparentes”.

“Este fenómeno no se había observado antes, porque las personas no han podido formar nubes lo suficientemente frías y densas”, agrega Ketterle.

“Dominación del mundo atómico”

En los últimos años, los físicos, incluidos los del grupo de Ketterle, han desarrollado técnicas magnéticas basadas en láser para reducir los átomos a temperaturas extremadamente frías. Dice que el factor limitante fue la densidad.

“Si la densidad no es lo suficientemente alta, el átomo aún puede dispersar la luz saltando sobre algunos asientos hasta que encuentre algo de espacio”, dice Ketterle. “Ese fue el cuello de botella”.

En su nuevo estudio, él y sus colegas utilizaron técnicas desarrolladas previamente para congelar primero una nube de fermiones, en este caso, un isótopo especial del átomo de litio, que tiene tres electrones, tres protones y tres neutrones. Congelan una nube de átomos de litio hasta 20 microkelvins, que es aproximadamente 1/10000 la temperatura del espacio interestelar.

“Luego usamos un láser altamente enfocado para comprimir los átomos ultrafríos para registrar densidades de aproximadamente un cuatrillón de átomos por centímetro cúbico”, explica Lu.

Luego, los investigadores enfocaron otro rayo láser en la nube, calibrándola cuidadosamente para que sus fotones no calentaran los átomos muy fríos o cambiaran su intensidad a medida que la luz pasaba a través de ellos. Finalmente, utilizaron una lente y una cámara para capturar y contar los fotones que lograron dispersarse.

“De hecho, estamos contando unos pocos cientos de fotones, lo que es realmente sorprendente”, dice Margalit. “Un fotón es una pequeña cantidad de luz, pero nuestros dispositivos son tan sensibles que podemos verlo como un pequeño punto de luz en una cámara”.

A temperaturas progresivamente más bajas y una mayor intensidad, los átomos dispersan cada vez menos luz, tal como predijo la teoría de Pritchard. En su punto más frío, alrededor de 20 microkelvin, los átomos eran un 38 por ciento más débiles, lo que significa que dispersan un 38 por ciento menos de luz que los átomos más fríos y menos intensos.

“Este sistema de nubes muy frías y muy densas tiene otros efectos que pueden engañarnos”, dice Margalit. “Así que pasamos unos meses examinando estos efectos y dejándolos a un lado, para obtener la medición más clara”.

Ahora que el equipo ha notado que el bloqueo de Pauli puede afectar la capacidad del átomo para dispersar la luz, Ketterle dice que este conocimiento básico puede usarse para desarrollar materiales con dispersión de luz suprimida, por ejemplo, para preservar datos en computadoras cuánticas.

“Cuando controlamos el mundo cuántico, como en las computadoras cuánticas, la dispersión de la luz es un problema y significa que la información se está filtrando fuera de su computadora cuántica”, reflexiona. “Esta es una forma de suprimir la dispersión de la luz y contribuimos a la idea general de controlar el mundo atómico”.

Referencia: “Pauli bloquea la dispersión de la luz en fermiones degenerados” por Yair Margalit, Yu-Kun Lo y Furkan Shagri-Top y Wolfgang Ketterle, 18 de noviembre de 2021 Disponible aquí. Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation y el Departamento de Defensa. El trabajo relacionado de equipos de la Universidad de Colorado y la Universidad de Otago aparece en el mismo número de Ciencias.