作者:麻省理工学院朱明华
从费米原子群散射的光子被收集在照相机上
随着系综温度的降低，原子散射的光子越来越少
信用:尼尔斯·卡尔加德 原子的电子排列在能量壳层中
就像竞技场中的演奏者一样，每个电子占据一张椅子，如果所有的椅子都被占据了，它就不能下降到更低的一层
原子物理学的这一基本性质被称为泡利不相容原理，它解释了原子的壳层结构、元素周期表的多样性和物质宇宙的稳定性
现在，麻省理工学院的物理学家以一种全新的方式观察到了泡利排斥原理，或者说泡利阻挡:他们发现这种效应可以抑制原子云散射光线的方式
正常情况下，当光子穿透原子云时，粒子可以像台球一样相互撞击，向各个方向散射光子以辐射光，从而使云可见
然而，麻省理工学院的研究小组观察到，当原子过冷和超临界时，泡利效应开始发挥作用，粒子有效地具有更小的散射光空间
相反，光子流过，没有被散射
在他们的实验中，物理学家在锂原子云中观察到了这种效应
随着原子变得更冷、更密集，它们散射的光也越来越少，变得越来越暗
研究人员怀疑，如果他们能进一步推动条件，达到绝对零度的温度，云将完全看不见
该团队的结果发表在《科学》杂志上，这是首次观察到泡利阻塞对原子光散射的影响
这种效应是30年前预测的，但直到现在才被观察到
约翰·沃夫冈·克特勒说:“泡利拦网已经被证实，对我们周围世界的稳定是绝对必要的。”
麻省理工学院物理学教授亚瑟
“我们观察到的是泡利阻塞的一种非常特殊和简单的形式，它阻止了一个原子做所有原子都会自然做的事情:散射光
这是第一次明确观察到这种效应的存在，并且它显示了物理学中的一个新现象
" 凯特勒的合著者是首席作者和前麻省理工学院博士后雅伊尔·马尔加利特、研究生吕玉堃和富尔坎顶尖博士
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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)
轻踢 30年前，凯特勒作为博士后来到麻省理工学院，他的导师大卫·普里查德，塞西尔和艾达·格林的物理学教授，预测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，如果原子被冻结到近乎静止的状态，并被挤压到一个足够紧密的空间中，那么原子的行为就像是能量壳层中的电子，没有空间改变它们的速度或位置
如果光子流入，它们将无法散射并照亮原子
“一个原子只有通过移动到另一把椅子上来吸收其踢腿的力量，才能散射一个光子，”凯特勒引用竞技场座位的类比解释道
“如果所有其他椅子都被占用，它就不再有能力吸收踢腿和散射光子
所以，原子变得透明了
" 凯特勒补充说:“这种现象以前从未被观察到，因为人们无法生成足够冷和稠密的云。”
“控制原子世界” 近年来，包括凯特勒团队在内的物理学家已经开发出基于磁性和激光的技术，将原子降低到超低温
他说，限制因素是密度
凯特勒说:“如果密度不够高，原子仍然可以跳过几把椅子来散射光，直到找到一些空间。”
“这是瓶颈
" 在他们的新研究中，他和他的同事使用了他们以前开发的技术，首先冻结了一团费米子——在这种情况下，是锂原子的一种特殊同位素，它有三个电子、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，这大约是星际空间温度的1/100，000
“然后我们用一个紧密聚焦的激光挤压超冷原子来记录密度，达到了每立方厘米大约一千万亿个原子，”卢解释说
研究人员随后将另一束激光束照射到云中，他们仔细校准了激光束，以使其光子不会在光线通过时加热超冷原子或改变它们的密度
最后，他们用镜头和照相机捕捉并计算散射出去的光子
“我们实际上在计算几百个光子，这真的很神奇，”玛格利特说
“光子是如此微小的光量，但我们的设备非常灵敏，我们可以在相机上看到它们作为一个小斑点
" 正如普里查德的理论预测的那样，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
在它们最冷的时候，大约20微开尔文，原子变暗了38%，这意味着它们散射的光比不太冷、不太密集的原子少38%
“这种超冷和非常密集的云层状态还有其他可能欺骗我们的影响，”马尔盖特说
“因此，我们花了好几个月的时间筛选并抛开这些影响，以获得最清晰的测量结果
" 现在，该团队已经观察到泡利阻塞确实会影响原子散射光的能力，凯特尔说，这些基础知识可能会被用于开发光抑制材料，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，光散射是一个问题，这意味着信息正在从你的量子计算机中泄露出去，”他沉思道
“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
" 科罗拉多大学一个团队的相关工作发表在同一期《科学》杂志上
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