Существование странного квантового эффекта, предсказанного несколько десятилетий назад, было наконец-то подтверждено. Исследователи доказали, что если сделать облако газа достаточно холодным и плотным, оно может стать невидимым.
Синий лазер
© Christian Sanner/Ye labs/JILA.
Синий лазер, использовавшийся в одном из экспериментов.
Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) использовали лазеры для сжатия и охлаждения газообразного лития до достаточно низкой плотности и температуры, чтобы он рассеивал меньше света. Теперь, если исследователи смогут охладить облако до температуры, близкой к абсолютному нулю (минус 273,15 градуса по Цельсию), оно может стать полностью невидимым.

Этот почти мистический эффект является первым конкретным примером квантово-механического процесса, известного как блокировка Паули (конкретнее: блокировка Паули при рассеивании света).
"То, что мы наблюдали, - это очень своеобразная и простая форма блокировки Паули, которая заключается в том, что она мешает атому делать то, что естественно для любого атома: рассеивать свет, - сообщил ведущий автор исследования Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle), профессор физики в Массачусетском технологическом институте. - Это первое отчётливое наблюдение существования этого эффекта, и оно демонстрирует новое явление в физике".
Понятие блокировки Паули происходит из принципа Паули (принцип исключения или запрета Паули), впервые сформулированного знаменитым австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году.

Учёный утверждал, что два и более фермиона (а к этим частицам относят протоны, нейтроны и электроны) в одной квантовой системе не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии.

Принцип Паули фактически определяет строение любого атома: вращающиеся вокруг ядра на разном расстояния "бусы" из электронов.

Дело в том, что на каждом энергетическом уровне существует только конечное число энергетических состояний (своеобразных бусин или ячеек). Когда они заполняются одними электронами, следующие желающие попасть в оболочку атома электроны вынуждены занимать свободные ячейки следующего энергетического уровня. При этом, чем дальше от ядра каждый новый уровень, тем больше в нём свободных "ячеек" для заполнения электронами.

Таким образом, принцип Паули заставляет электроны располагаться на некотором расстоянии друг от друга. Без этого все атомы "схлопывались" бы, высвобождая огромное количество энергии.

Этот принцип не только является причиной поразительного разнообразия элементов таблицы Менделеева, но ещё и позволяет нам не проваливаться прямо в центр Земли, стоя на её поверхности.

Принцип Паули применим и к атомам в газе. В обычных условиях атомы в газовом облаке расположены достаточно далеко друг от друга. Им доступен огромный по меркам самих атомов объём пространства, в котором они могут перемещаться как угодно.

Это означает, что даже если они могут быть фермионами, связанными принципом исключения Паули, у них есть достаточно свободных энергетических уровней, куда они смогут "перескочить", чтобы принцип Паули не мешал их движению.

Представим себе стол для бильярда с шарами. Когда фотон, частица света, попадает в относительно тёплое газовое облако, то он словно посланный спортсменом шар будет врезаться в катающиеся по столу атомы облака. Когда он будет сталкиваться с другими шарами, он будет отдавать им свой импульс, отскакивая в отличающемся от первоначального направлении (на другой энергетический уровень).

Это и делает атомы газового облака видимыми: фотоны рассеиваются на атомах облака, первоначальные траектории частиц света изменяются.
Но стоит охладить облако газа, как начинают происходить совсем другие процессы. При низких температурах атомы не очень-то хотят пританцовывать в пространстве. Они "экономят" энергию, заполняя все самые низкие из доступных энергетических уровней. Всё это приводит к образованию типа материи, называемой ферми-жидкостью.

В этом случае атомы облака располагаются в свободных ячейках так же плотно, как зрители, пришедшие на концерт популярной группы. Не остаётся ни одного свободного места, все билеты проданы. В итоге атомы теряют возможность перемещаться на другие энергетические уровни.

В случае попадания в эту плотную толпу фотона атомам просто некуда деваться. Они настолько плотно "упакованы", что частицы больше не могут взаимодействовать с частицами света. Посылаемый свет проходит сквозь холодное газовое облако. Происходит блокировка Паули.
Всё, что мы описали ранее, до недавнего времени было лишь теорией физиков.

Дело в том, что довести облако атомов до состояния "заполненного до отказа концертного зала" не сильно проще, чем привести начинающую группу музыкантов к вершинам музыкального олимпа.

Для этого не только нужны невероятно низкие температуры, но и необходимо сжать атомы, чтобы увеличить плотность газа.

Для решения этой непростой задачи исследователи сначала захватили газ в атомную ловушку, а затем пропустили через него лазерные лучи.

Исследователи настроили фотоны в лазерном луче так, чтобы они сталкивались только с атомами, движущимися в противоположном им направлении. Это заставляло атомы замедляться и, следовательно, терять энергию. Таким образом учёные "заморозили" облако атомов лития до 20 микрокельвинов, что чуть выше абсолютного нуля (минус 273,15 градусов Цельсия).

Затем учёные сжали холодное облако атомов с помощью второго лазера. Точно сфокусированный лазер сжал атомы лития до рекордной плотности примерно 1 квадриллион (1 с 15 нулями) атомов на кубический сантиметр.

Далее, чтобы понять, насколько невидимыми (не рассеивающими) стали переохлаждённые и сжатые атомы, физики направили на них третий и последний лазерный луч. Он был тщательно откалиброван, чтобы не изменять температуру или плотность газа. Для подсчёта количества рассеянных таким облаком фотонов использовалась сверхчувствительная камера.

Как и предсказывала теория, охлаждённые и сжатые атомы рассеивали на 38% меньше света, чем атомы при комнатной температуре и нормальной плотности, что делает их значительно более "прозрачными".

В итоге получается, что свет проходит материю насквозь так, как будто её и нет вовсе.

Две другие независимые исследовательские группы также охладили два других газа, из атомов калия и стронция, чтобы продемонстрировать этот эффект.

Все три статьи, демонстрирующие блокировку Паули, были опубликованы 18 ноября 2021 года в научном журнале Science (1, 2 и 3).

Теперь, когда исследователи наконец продемонстрировали блокировку Паули, они смогут использовать её для разработки материалов, подавляющих свет.

Это будет особенно полезно для повышения эффективности квантовых компьютеров. В настоящее время этому среди прочего препятствует квантовая декогеренция — потеря квантовой информации (переносимой светом).