见证30年前泡利阻挡让原子隐形的预言。
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不相容原理或泡利阻挡:他们发现这种效应可以抑制原子云散射光的方式。
通常，当光子穿透原子云时，光子和原子可以像台球一样相互碰撞，向各个方向散射光线，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，粒子散射光的空间变小。光子会流过而不被散射。
在实验中，物理学家在锂原子云中观察到了这种效应。当它们变得更冷、密度更大时，原子散射的光越来越少，颜色也越来越暗。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》杂志上报告的结果代表了泡利阻挡对原子光散射影响的首次观测记录。这种效应在30年前就被预测到了，但直到现在都没有观测到。
麻省理工学院约翰·D·亚瑟物理学教授沃夫冈·克特勒说:“总体来说，泡利堵塞已经得到证实。我们观察到的是一种非常特殊和简单的泡利阻挡形式，它导致原子偏离所有原子的自然行为:散射光。这是第一次清楚地观察到这种效应，这显示了物理学中的一种新现象。”
凯特勒是由麻省理工学院的前博士后Yair Margalit，研究生Yu-陆坤和Furkan Top PhD '20共同撰写的。该团队隶属于麻省理工学院物理系、麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心和麻省理工学院电子研究实验室(RLE)。
当凯特勒30年前作为博士后来到麻省理工学院时，他的导师塞西尔和艾达格林大学物理学教授大卫·普里查德(David Pritchard)预测，泡利阻挡会抑制一些称为费米子的原子散射光的方式。
广义地说，他的想法是，如果原子被冻结到几乎静止的状态，并被挤压到一个足够紧凑的空间，那么原子的行为就像堆叠的能量壳中的电子一样，没有改变速度或位置的空间。如果光子流入，它们将无法散射。
"只有移动另一把椅子，原子才能踢前面的椅子."凯特勒引用了座椅的比喻，“如果其他椅子都是固定的，它将不再具有散射光子的能力。因此，原子变得透明。”
“这种现象以前从未被观察到，因为人们无法产生足够冷、足够密集的云，”他补充道。
近年来，包括凯特勒团队在内的物理学家开发出了基于磁场和激光的技术，可以将原子降至超低温。他说，限制因素是密度。
“如果密度不够高，原子仍然可以跳过几把椅子来散射光，直到它找到一些空间。”凯特勒说，“密度是瓶颈。”
他和他的同事利用之前开发的技术首先冻结了费米云——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。他们把一团锂原子冷冻到20微开尔文，这大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来打破记录，达到每立方厘米约6543.8+0000亿个原子。”卢解释道。
然后，研究人员向云中照射另一束激光束，并仔细校准它，以便它的光子不会加热超冷原子或在光穿过时改变它们的密度。最后，他们使用镜头和相机来捕捉和计算他们试图散射的光子。
“我们发现了数百个光子，这真的很神奇。光子的光量很小。但我们的设备非常敏感，我们可以把它们看作相机上的一盏小灯。”
正如理论预测的那样，在冷却温度和更高的密度下，原子散射的光越来越少。在最冷的温度下，大约20微开尔文，原子变暗38%。
“这种超冷和非常密集的云还有其他可能欺骗我们的效应。因此，我们花了几个月的时间来消除这些影响，以获得最清晰的测量结果。”
现在，我们知道泡利阻挡确实会影响原子散射光的能力。凯特勒说，这些基础知识可以用来开发抑制光散射的材料，比如在量子计算机中存储数据。
“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漏。这是一种抑制光散射的方法，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发表在同一期《科学》杂志上。