Ultrasoğuk Süper Yoğun Atomlar Görünmez Oluyor

Yeni bir çalışma, atomlar soğudukça ve aşırı uçlara sıkıştırıldıkça, ışığı dağıtma yeteneklerinin baskılandığını doğruluyor. Kredi bilgileri: Christine Daniloff, MIT

Ultrasoğuk, Süper Yoğun Atomlar Nasıl Görünmez Oluyor?

Yeni bir çalışma, atomlar soğudukça ve aşırı uçlara sıkıştırıldıkça, ışığı dağıtma yeteneklerinin baskılandığını doğruluyor.

Bir atomelektronları enerji kabuklarında düzenlenmiştir. Bir arenadaki konser izleyicileri gibi, her elektron tek bir sandalyeyi işgal eder ve tüm sandalyeleri doluysa daha düşük bir kademeye düşemez. Atom fiziğinin bu temel özelliği Pauli dışlama ilkesi olarak bilinir ve atomların kabuk yapısını, periyodik element tablosunun çeşitliliğini ve maddi evrenin kararlılığını açıklar.

Şimdi, İLE BİRLİKTE fizikçiler, Pauli dışlama ilkesini veya Pauli engellemesini tamamen yeni bir şekilde gözlemlediler: Etkinin, bir atom bulutunun ışığı nasıl saçtığını bastırabileceğini keşfettiler.

Normalde, ışık fotonları bir atom bulutunun içine girdiğinde, fotonlar ve atomlar bilardo topları gibi birbirlerini pingleyebilirler, ışığı yaymak için ışığı her yöne saçarlar ve böylece bulutu görünür hale getirirler. Bununla birlikte, MIT ekibi, atomlar aşırı soğutulduğunda ve aşırı sıkıldığında, Pauli etkisinin başladığını ve parçacıkların ışığı dağıtmak için etkili bir şekilde daha az alana sahip olduğunu gözlemledi. Fotonlar bunun yerine dağılmadan akıyor.

Pauli Engelleme İlkesi

Pauli engelleme ilkesi, bir arenada koltukları dolduran insanların benzetmesiyle gösterilebilir. Her kişi bir atomu temsil ederken, her koltuk bir kuantum durumunu temsil eder. Yüksek sıcaklıklarda (a), atomlar rastgele yerleştirilir, böylece her parçacık ışığı saçabilir. Düşük sıcaklıklarda (b), atomlar bir araya toplanır. Sadece kenarda daha fazla alana sahip olanlar ışığı dağıtabilir. Kredi: Araştırmacıların izniyle

Fizikçiler deneylerinde bu etkiyi bir lityum atomu bulutunda gözlemlediler. Daha soğuk ve daha yoğun hale getirildikçe, atomlar daha az ışık saçtı ve giderek daha sönük hale geldi. Araştırmacılar, koşulları daha da ileri götürebilirlerse, sıcaklıklara tamamen sıfır, bulut tamamen görünmez olur.

Takımın sonuçları, bugün açıklanan Bilim, Pauli blokajının atomlar tarafından ışık saçılması üzerindeki etkisinin ilk gözlemini temsil eder. Bu etki 30 yıl önce tahmin edilmişti ancak şimdiye kadar gözlenmedi.

MIT’de John D. Arthur Fizik Profesörü Wolfgang Ketterle, “Pauli blokajı genel olarak kanıtlanmıştır ve etrafımızdaki dünyanın istikrarı için kesinlikle gereklidir” diyor. “Gözlemlediğimiz şey, Pauli blokajının çok özel ve basit bir biçimidir; bu, bir atomu tüm atomların doğal olarak yapacağı şeyden, yani ışığı dağıtmaktan alıkoymasıdır. Bu, bu etkinin var olduğuna dair ilk net gözlem ve fizikte yeni bir fenomeni gösteriyor.”

Ketterle’nin ortak yazarları, baş yazar ve eski MIT doktora sonrası Yair Margalit, yüksek lisans öğrencisi Yu-kun Lu ve Furkan Top PhD ’20. Ekip, MIT Fizik Departmanı, MIT-Harvard Ultracold Atomlar Merkezi ve MIT’nin Elektronik Araştırma Laboratuvarı (RLE) ile bağlantılıdır.

hafif bir tekme

Ketterle 30 yıl önce doktora sonrası doktora olarak MIT’ye geldiğinde, akıl hocası David Pritchard, Cecil ve Ida Green Fizik Profesörü, Pauli engellemesinin fermiyonlar olarak bilinen bazı atomların ışığı dağıtma şeklini bastıracağı tahmininde bulundu.

Genel olarak onun fikri, atomlar neredeyse durma noktasına kadar dondurulursa ve yeterince dar bir alana sıkıştırılırsa, atomların hızlarını veya konumlarını değiştirecek yer olmadan paketlenmiş enerji kabuklarındaki elektronlar gibi davranacağıydı. Işık fotonları içeri akacak olsaydı, saçılamazlardı.

Yu Kun Lu

Yüksek lisans öğrencisi Yu-Kun Lu, ultrasoğuk atom bulutlarından ışık saçılımını gözlemlemek için optikleri hizalıyor. Kredi: Araştırmacıların izniyle

Ketterle, arenada oturma benzetmesine başvurarak, “Bir atom ancak başka bir sandalyeye geçerek tekme kuvvetinin emilimi halinde bir fotonu saçabilir” diye açıklıyor. “Diğer tüm sandalyeler doluysa, artık tekmeyi emme ve fotonu dağıtma yeteneğine sahip değildir. Böylece atomlar şeffaf hale gelir.”

Ketterle, “Bu fenomen daha önce hiç gözlemlenmemişti, çünkü insanlar yeterince soğuk ve yoğun bulutlar oluşturamadılar” diye ekliyor.

“Atomik dünyayı kontrol etmek”

Son yıllarda, Ketterle’nin grubundakiler de dahil olmak üzere fizikçiler, atomları aşırı soğuk sıcaklıklara düşürmek için manyetik ve lazer tabanlı teknikler geliştirdiler. Sınırlayıcı faktörün yoğunluk olduğunu söylüyor.

Ketterle, “Yoğunluk yeterince yüksek değilse, bir atom bir yer bulana kadar birkaç sandalyenin üzerinden atlayarak ışığı dağıtabilir” diyor. “Darboğaz buydu.”

Yeni çalışmalarında, o ve meslektaşları, önce bir fermiyon bulutunu dondurmak için daha önce geliştirdikleri teknikleri kullandılar – bu durumda, üç elektron, üç proton ve üç nötron içeren özel bir lityum atomu izotopu. Lityum atomlarından oluşan bir bulutu, yıldızlararası uzayın sıcaklığının yaklaşık 1/100.000’i kadar olan 20 mikrokelvin’e kadar dondurdular.

Lu, “Daha sonra, santimetre küp başına yaklaşık katrilyon atoma ulaşan yoğunlukları kaydetmek için ultra soğuk atomları sıkıştırmak için sıkıca odaklanmış bir lazer kullandık” diye açıklıyor.

Araştırmacılar daha sonra buluta başka bir lazer ışını gönderdiler ve bu lazer ışını fotonlarının ultrasoğuk atomları ısıtmaması veya ışık geçerken yoğunluklarını değiştirmemesi için dikkatlice kalibre ettiler. Son olarak, saçılmayı başaran fotonları yakalamak ve saymak için bir lens ve kamera kullandılar.

Margalit, “Aslında birkaç yüz foton sayıyoruz, bu gerçekten harika” diyor. “Bir foton çok az miktarda ışıktır, ancak ekipmanımız o kadar hassastır ki onları kamerada küçük bir ışık damlası olarak görebiliriz.”

Gittikçe daha düşük sıcaklıklarda ve daha yüksek yoğunluklarda, atomlar, Pritchard’ın teorisinin öngördüğü gibi, giderek daha az ışık saçıyordu. En soğuklarında, yaklaşık 20 mikrokelvinde, atomlar yüzde 38 daha sönüktü, yani daha az soğuk, daha az yoğun atomlardan yüzde 38 daha az ışık saçıyorlardı.

Margalit, “Bu aşırı soğuk ve çok yoğun bulut rejiminin bizi yanıltabilecek başka etkileri de var” diyor. “Bu yüzden, en net ölçümü elde etmek için bu etkileri elemek ve bir kenara koymak için birkaç iyi ay harcadık.”

Ekip, Pauli blokajının bir atomun ışığı dağıtma yeteneğini gerçekten etkileyebileceğini gözlemlediğine göre, Ketterle bu temel bilginin, örneğin kuantum bilgisayarlarda verileri korumak için, bastırılmış ışık saçılımına sahip materyaller geliştirmek için kullanılabileceğini söylüyor.

“Kuantum bilgisayarlarda olduğu gibi, kuantum dünyasını her kontrol ettiğimizde, ışık saçılması bir sorundur ve kuantum bilgisayarınızdan bilgi sızdığı anlamına gelir” diye düşünür. “Bu, ışık saçılımını bastırmanın bir yoludur ve atom dünyasını kontrol etme genel temasına katkıda bulunuyoruz.”

Referans: Yair Margalit, Yu-Kun Lu, Furkan Çağri Top ve Wolfgang Ketterle tarafından “Dejenere fermiyonlarda Pauli blokajı ışık saçılımı”, 18 Kasım 2021, Bilim.
DOI: 10.1126/science.abi6153

Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı ve Savunma Bakanlığı tarafından finanse edildi. Colorado Üniversitesi ve Otago Üniversitesi’nden ekipler tarafından yapılan ilgili çalışmalar, aynı sayısında yer almaktadır. Bilim.





#MIT #Fizikçileri #Maddeyi #Görünmez #Hale #Getirmek #İçin #Temel #Atomik #Özelliği #Kullanıyor