Science最新研究进展：超冷、超密度的原子是如何变得看不见的
江苏激光联盟导读：
《Science》发布最新研究成果，麻省理工学院研究人员最新发现了原子的奥秘。
从fermionic原子集合中散射出来的光子被收集到相机上。随着整体温度的降低，被原子散射的光子越来越少。来源：Niels Kjærgaard
原子的电子排列在能壳层中。就像在舞台上看音乐会的人一样，每个电子占据一张椅子，如果所有的椅子都被占满了，就无法降到更低的一层。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们已经用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。
JILA实验的静态图像使原子兴奋的时间比平常更长。来源：Hanacek/NIST
通常情况下，当光子穿透原子云时，粒子会像台球一样相互碰撞，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，当原子被过冷和超挤压时，泡利效应就会产生，粒子散射光的空间就会减少。相反，光子流通过，而不会被散射。
在他们的实验中，物理学家在锂原子云中观察到这种效应。随着温度的降低和密度的增加，原子散射的光越来越少，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，云将变得完全看不见。
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原子从热气体中释放光的速度比从拥挤的Fermi气体中释放光的速度快。来源：Hanacek / NIST
该小组的研究结果发表在《科学》杂志上，代表了第一次观察到泡利阻挡对原子散射光的影响。这种效应在30年前就被预测到了，但直到现在才被观察到。
麻省理工学院物理学教授Wolfgang Ketterle说:“泡利阻塞在总体上已经被证明，它对于我们周围世界的稳定是绝对必要的。”“我们观察到的是泡利阻挡的一种非常特殊和简单的形式，它阻止一个原子做所有原子自然会做的事情:散射光。这是第一次清楚地观察到这种效应的存在，它显示了物理学上的一种新现象。”
EPFL的物理学家首次发现了一种让光子与原子对相互作用的方法。
30年前，当Ketterle以博士后的身份来到麻省理工学院时，他的导师David Pritchard预言泡利阻挡会抑制某些被称为fermions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，并被压缩到一个足够紧的空间中，原子就会像能量壳层中的电子一样，没有空间来改变它们的速度或位置。如果光子进入，它们就不能散射并照亮原子。
“一个原子只能通过移动到另一把椅子来吸收它的冲击力，才能散射光子，”Ketterle解释道，并引用了竞技场座位的类比。“如果其他椅子都被占用，它就不再有能力吸收踢和散射光子。所以，原子变得透明了。”“这种现象以前从未观测到过，因为人们无法产生足够寒冷和密度的云，”Ketterle补充道。
近年来，包括Ketterle团队成员在内的物理学家已经开发出磁性和激光技术，将原子降至超冷温度。他说，限制因素是密度。
“如果密度不够高，一个原子仍然可以通过跳过几把椅子来散射光线，直到它找到一些空间，”Ketterle说。“这就是瓶颈。”
a、将一个简并的强相互作用的双组分费米气体置于空腔内。沿偏置磁场B→线性极化的光束测量通过腔体的透射率。b、基态下BEC、幺正和BCS情况下的双原子基态波函数示意图(分别为浅蓝色、蓝色和深蓝色实线);频率ωPA在分子势(红色虚线)的束缚下渐近地达到单原子跃迁频率ω0的分子态波函数(实黑线)。频率ωPA的空腔光子在康登点RC诱导自由原子和分子态之间的跃迁。该过程的集体Rabi频率Ω超过了耗散率，在频谱中产生了一对分辨的装扮态。
在他们的新研究中，他和他的同事们使用他们之前开发的技术首先冻结fermions云——在这种情况下，fermions云是一种特殊的锂原子同位素，它有三个电子、三个质子和三个中子。他们将锂原子云冻结到20微开尔文，这大约是星际空间温度的1/10万。
“然后，我们使用聚焦激光挤压超冷原子来记录密度，达到每立方厘米约1千万亿个原子，”Lu解释说。
然后，研究人员将另一束激光射入云中，他们仔细校准了光束，使其光子不会加热超冷的原子，或在光通过时改变它们的密度。最后，他们使用一个镜头和相机来捕捉和计算散射出去的光子。
“我们实际上数了几百个光子，这真的很神奇，”Margalit 说。“光子只是光的一小部分，但我们的设备非常敏感，我们可以在相机上看到它们作为一个小光点。”
就像Pritchard的理论预测的那样，在温度逐渐降低、密度越来越高的情况下，原子散射的光越来越少。在它们最冷的时候，大约20 microkelvin，原子的亮度降低了38%，这意味着它们比冷得更低、密度更低的原子散射的光少38%。
“这种超冷和非常稠密的云层有其他可能欺骗我们的影响，” Margalit 说。“所以，我们花了几个月的时间筛选和搁置这些影响，以得到最清晰的测量结果。”
现在，该团队已经观察到泡利阻挡确实可以影响原子散射光的能力，Ketterle说，这一基础知识可以用于开发光抑制材料，例如在量子计算机中保存数据。
“每当我们控制了量子世界，比如在量子计算机中，光散射就是一个问题，这意味着信息正在从量子计算机中泄漏出来，”他沉思道。“这是抑制光散射的一种方式，我们正在为控制原子世界的总体主题做出贡献。”
Colorado大学的一个研究小组的相关研究发表在同一期的《科学》杂志上。
来源：Pauli blocking of light scattering in degeneratefermions, Science (2021). DOI:10.1126/science.abi6153. www.science.org/doi/10.1126/science.abi6153
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