Os físicos do MIT usam a propriedade atômica fundamental para transformar a matéria em invisível

Como átomos ultra-densos e ultra-frios se tornam invisíveis

Um novo estudo confirma que quando os átomos são resfriados e comprimidos ao extremo, sua capacidade de espalhar luz é suprimida.

naquela milhoOs elétrons são organizados em camadas de energia. Como os frequentadores de concertos em uma arena, cada elétron ocupa uma cadeira e não pode descer a um nível inferior se todas as suas cadeiras estiverem ocupadas. Essa propriedade fundamental da física atômica é conhecida como princípio de exclusão de Pauli e explica a estrutura dos envoltórios de átomos, a diversidade da tabela periódica dos elementos e a estabilidade do universo físico.

Atualmente, Com Os físicos observaram o princípio de exclusão de Pauli, ou exclusão de Pauli, de uma maneira inteiramente nova: eles descobrem que o efeito pode bloquear o modo como uma nuvem de átomos espalha a luz.

Normalmente, quando os fótons de luz penetram em uma nuvem de átomos, os fótons e os átomos podem se espalhar como bolas de bilhar, espalhando a luz em todas as direções para irradiar a luz, tornando a nuvem visível. No entanto, a equipe do MIT notou que quando os átomos são super-resfriados e ultra-espremidos, o efeito Pauli entra em ação e as partículas têm menos espaço para espalhar a luz. Em vez disso, os fótons fluem através dele sem serem espalhados.

O princípio da Lei Seca de Pauli pode ser ilustrado por uma analogia com as pessoas que ocupam os assentos na praça. Cada pessoa representa um átomo, enquanto cada assento representa um estado quântico. Em temperaturas mais altas (a), os átomos assentam aleatoriamente, de modo que cada partícula pode espalhar a luz. Em temperaturas mais baixas (b), os átomos se agrupam. Apenas aqueles com mais espaço perto da borda podem espalhar a luz. Crédito: Cortesia dos pesquisadores

Os físicos em seus experimentos observaram esse efeito em uma nuvem de átomos de lítio. À medida que ficou mais frio e mais denso, os átomos espalharam menos luz e gradualmente se tornaram mais opacos. Os pesquisadores acreditam que, se puderem pressionar ainda mais as condições, a temperaturas de até zero absoluto, a nuvem ficará completamente invisível.

Os resultados da equipe foram relatados hoje em Ciência, representa a primeira observação do efeito de bloqueio de Pauli na dispersão de luz pelos átomos. Este efeito foi previsto há 30 anos, mas não foi observado até agora.

Wolfgang Ketterle, Professor de Física na John D. “O que observamos é uma forma muito especial e simples de bloqueio de Pauli, que é o de bloquear o átomo daquilo que todos os átomos fazem naturalmente: espalhamento de luz. Esta é a primeira observação clara da existência desse efeito, e mostra uma novo fenômeno na física. “

Os co-autores de Ketterle são o autor principal e ex-pesquisador de pós-doutorado do MIT Yair Margalit, o estudante de graduação Yu-kun Lu e o Furkan Top PhD ’20. A equipe pertence ao Departamento de Física do MIT, ao Harvard Center for Ultracold Atoms do MIT e ao Research Electronics Laboratory (RLE) do MIT.

chute leve

Quando Ketterle veio para o MIT como pós-doutorado há 30 anos, seu mentor David Pritchard, Cecil e o professor de física Ida Green, Ida Green, previram que o bloqueio de Pauli amorteceria a maneira como certos átomos conhecidos como férmions espalham a luz.

Sua ideia, em geral, era que se os átomos fossem congelados até uma parada quase completa e comprimidos em um espaço estreito o suficiente, os átomos se comportariam como elétrons em camadas de energia compactadas, sem espaço para mudar sua velocidade ou posição. Se fótons de luz fluíssem, eles não seriam capazes de se espalhar.

Yu-Kun Lu, um estudante de graduação, alinha a ótica para observar a dispersão de luz de nuvens de átomos ultrafrios. Crédito: Cortesia dos pesquisadores

“Um átomo só pode espalhar um fóton se puder absorver a força de seu chute movendo-se para outra cadeira”, explica Ketterle, citando a analogia de sentar em um anel. “Se todas as outras cadeiras estiverem ocupadas, elas não terão a capacidade de absorver o chute e espalhar o fóton. Portanto, os átomos se tornam transparentes.”

“Esse fenômeno não foi observado antes, porque as pessoas não foram capazes de formar nuvens suficientemente frias e densas”, acrescenta Ketterle.

“Dominação do mundo atômico”

Nos últimos anos, físicos, incluindo os do grupo de Ketterle, desenvolveram técnicas magnéticas baseadas em laser para reduzir os átomos a temperaturas extremamente baixas. Ele diz que o fator limitante era a densidade.

“Se a densidade não for alta o suficiente, o átomo ainda pode espalhar a luz pulando alguns assentos até encontrar algum espaço”, diz Ketterle. “Esse foi o gargalo.”

Em seu novo estudo, ele e seus colegas usaram técnicas desenvolvidas anteriormente para primeiro congelar uma nuvem de férmions – neste caso, um isótopo especial do átomo de lítio, que tem três elétrons, três prótons e três nêutrons. Eles congelam uma nuvem de átomos de lítio a 20 microkelvins, que é cerca de 1 / 10.000 da temperatura do espaço interestelar.

“Nós então usamos um laser altamente focado para comprimir os átomos ultracongelados para registrar densidades de cerca de um quatrilhão de átomos por centímetro cúbico”, explica Lu.

Os pesquisadores então direcionaram outro feixe de laser para a nuvem, calibrando-o cuidadosamente para que seus fótons não aquecessem os átomos muito frios ou mudassem sua intensidade à medida que a luz passava por eles. Finalmente, eles usaram uma lente e uma câmera para capturar e contar os fótons que conseguiram se espalhar.

“Na verdade, estamos contando algumas centenas de fótons, o que é realmente incrível”, diz Margalit. “Um fóton é uma pequena quantidade de luz, mas nossos dispositivos são tão sensíveis que podemos vê-lo como um minúsculo ponto de luz em uma câmera.”

Em temperaturas progressivamente mais baixas e intensidades mais altas, os átomos espalham cada vez menos luz, exatamente como a teoria de Pritchard previa. No seu nível mais frio, em cerca de 20 microkelvin, os átomos eram 38% mais fracos, o que significa que eles espalham 38% menos luz do que átomos mais frios e menos intensos.

“Este sistema de nuvens muito frias e muito densas tem outros efeitos que podem nos enganar”, diz Margalit. “Então, passamos alguns meses analisando esses efeitos e os deixando de lado, para obter a medição mais clara.”

Agora que a equipe observou que o bloqueio de Pauli pode realmente afetar a capacidade do átomo de espalhar luz, Ketterle diz que esse conhecimento básico pode ser usado para desenvolver materiais com espalhamento de luz suprimido, por exemplo, para preservar dados em computadores quânticos.

“Quando controlamos o mundo quântico, como nos computadores quânticos, a dispersão de luz é um problema, e isso significa que a informação está vazando de seu computador quântico”, pondera. “Esta é uma forma de suprimir a dispersão de luz e contribuímos para a ideia geral de controlar o mundo atômico.”

Referência: “Pauli bloqueando a dispersão de luz em férmions degenerados” Por Yair Margalit, Yu-Kun Lo, Furkan Shagri-top e Wolfgang Ketterle, 18 de novembro de 2021, disponível aqui. Ciência.
DOI: 10.1126 / science.abi6153

Esta pesquisa foi financiada em parte pela National Science Foundation e pelo Departamento de Defesa. Trabalhos relacionados por equipes da University of Colorado e da University of Otago aparecem na mesma edição de Ciência.