Необычный квантовый эффект, предсказанный несколько десятилетий назад, наконец-то был экспериментально подтверждён. Речь идёт об известном квантовом явлении «блокировка Паули», при котором плотный квантовый газ внезапно становится прозрачным после экстремального охлаждения и сжатия.
Сотрудники Массачусетского технологического института использовали лазеры для сжатия и охлаждения газообразного лития до плотностей и температур, достаточно низких для того, чтобы он начал рассеивать значительно меньшее количество света. После охлаждения до сверхнизких температур и сжатия лазером было замечено, что газ становится «полупрозрачным» – он частично перестал отражать и рассеивать фотоны, пропуская их.
Учёные уверены, что если удастся охладить газ до температуры, которая максимально близка к абсолютному нулю (-273,15° Цельсия) и сжать его ещё сильнее, то всё приведёт к тому, что газ вообще перестанет отражать свет и станет полностью невидимым.
Мы наблюдали пример блокировки Паули, которая не дает атому сделать то, что предписано атомам по природе — рассеять свет, — отметил старший автор исследования, профессор физики Массачусетского технологического института, нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле. — Это первое экспериментальное доказательство существования эффекта Паули.
Принцип был сформулирован известным австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году. Паули утверждал, что все так называемые элементарные частицы фермионы – протоны, нейтроны и электроны не могут существовать в одном и том же пространстве с одинаковым квантовым состоянием.
В случае, если бы фермионы находились в одном и том же квантовом состоянии, то все предметы проваливались бы сквозь поверхности, да и само их образование было бы невозможно.
К примеру, атомы в газовом облаке имеют достаточное количество свободных энергетических уровней. При столкновении атома газа с фотоном атом перейдёт на другой энергетический уровень и рассеет фотон света.
Электроны атома расположены в энергетических уровнях, подобно зрителям на арене, каждый электрон занимает одно сидячее место и не может опуститься на более низкий ярус, если все его стулья заняты. Это фундаментальное свойство атомной физики известно как принцип исключения Паули и оно объясняет структуру атомов, разнообразие периодической таблицы элементов и стабильность материальности Вселенной.
Атомы в квантовых состояниях (на примере зрителей) | a) высокая температура б) низкая температура
Принцип блокирования Паули можно проиллюстрировать аналогией с людьми, заполняющими места на арене. Каждый человек представляет атом, а каждое сидячее место – квантовое состояние. При высоких температурах атомы находятся беспорядочно, поэтому каждая частица может рассеивать свет. При низких температурах атомы теснятся друг к другу. Но только те, у кого достаточно свободного места с края могут рассеивать свет.
В таких условиях фермионам сложнее поглощать, отражать свет. Фотоны начинают свободно пролетать сквозь атомы, вещество становится прозрачным, то есть невидимым.
Учёные продемонстрировали этот эффект экспериментально. Они охладили облако из атомов лития и сблизили частицы. В итоге вещество стало на 38% «прозрачнее», чем при комнатной температуре.
Отмечается, что с помощью блокировки Паули можно не только создавать невидимые материалы. Эффект можно использовать при разработке светоподавляющих материалов для предотвращения потери информации в квантовых компьютерах. В настоящий момент они теряют информацию (переносимую светом) из-за квантовой декогеренции — нарушения связи или схлопывание квантовой функции при взаимодействии с окружающей средой.
