現在，麻省理工學院的物理學家以壹種全新的方式觀察到了泡利不相容原理或泡利阻擋:他們發現這種效應可以抑制原子雲散射光的方式。
通常，當光子穿透原子雲時，光子和原子可以像臺球壹樣相互碰撞，向各個方向散射光線，發出電磁輻射，從而使原子雲可見。然而，麻省理工學院的團隊觀察到，當原子被冷凍和超壓縮時，泡利效應開始發揮作用，粒子散射光的空間變小。光子會流過而不被散射。
在實驗中，物理學家在鋰原子雲中觀察到了這種效應。當它們變得更冷、密度更大時，原子散射的光越來越少，顏色也越來越暗。研究人員懷疑，如果他們能夠將條件進壹步推向絕對零度，雲將變得完全不可見。
該團隊今天在《科學》雜誌上報告的結果代表了泡利阻擋對原子光散射影響的首次觀測記錄。這種效應在30年前就被預測到了，但直到現在都沒有觀測到。
麻省理工學院約翰·D·亞瑟物理學教授沃夫岡·克特勒說:“總體來說，泡利堵塞已經得到證實。我們觀察到的是壹種非常特殊和簡單的泡利阻擋形式，它導致原子偏離所有原子的自然行為:散射光。這是第壹次清楚地觀察到這種效應，這顯示了物理學中的壹種新現象。”
凱特勒是由麻省理工學院的前博士後Yair Margalit，研究生Yu-陸坤和Furkan Top PhD '20共同撰寫的。該團隊隸屬於麻省理工學院物理系、麻省理工學院-哈佛大學超冷原子中心和麻省理工學院電子研究實驗室(RLE)。
當凱特勒30年前作為博士後來到麻省理工學院時，他的導師塞西爾和艾達格林大學物理學教授大衛·普裏查德(David Pritchard)預測，泡利阻擋會抑制壹些稱為費米子的原子散射光的方式。
廣義地說，他的想法是，如果原子被凍結到幾乎靜止的狀態，並被擠壓到壹個足夠緊湊的空間，那麽原子的行為就像堆疊的能量殼中的電子壹樣，沒有改變速度或位置的空間。如果光子流入，它們將無法散射。
"只有移動另壹把椅子，原子才能踢前面的椅子."凱特勒引用了座椅的比喻，“如果其他椅子都是固定的，它將不再具有散射光子的能力。因此，原子變得透明。”
“這種現象以前從未被觀察到，因為人們無法產生足夠冷、足夠密集的雲，”他補充道。
近年來，包括凱特勒團隊在內的物理學家開發出了基於磁場和激光的技術，可以將原子降至超低溫。他說，限制因素是密度。
“如果密度不夠高，原子仍然可以跳過幾把椅子來散射光，直到它找到壹些空間。”凱特勒說，“密度是瓶頸。”
他和他的同事利用之前開發的技術首先凍結了費米雲——在這種情況下，是鋰原子的壹種特殊同位素，它有三個電子，三個質子和三個中子。他們把壹團鋰原子冷凍到20微開爾文，這大約是星際空間溫度的1/100000。
“然後我們使用緊密聚焦的激光擠壓超冷原子來打破記錄，達到每立方厘米約6543.8+0000億個原子。”盧解釋道。
然後，研究人員向雲中照射另壹束激光束，並仔細校準它，以便它的光子不會加熱超冷原子或在光穿過時改變它們的密度。最後，他們使用鏡頭和相機來捕捉和計算他們試圖散射的光子。
“我們發現了數百個光子，這真的很神奇。光子的光量很小。但我們的設備非常敏感，我們可以把它們看作相機上的壹盞小燈。”
正如理論預測的那樣，在冷卻溫度和更高的密度下，原子散射的光越來越少。在最冷的溫度下，大約20微開爾文，原子變暗38%。
“這種超冷和非常密集的雲還有其他可能欺騙我們的效應。因此，我們花了幾個月的時間來消除這些影響，以獲得最清晰的測量結果。”
現在，我們知道泡利阻擋確實會影響原子散射光的能力。凱特勒說，這些基礎知識可以用來開發抑制光散射的材料，比如在量子計算機中存儲數據。
“每當我們控制量子世界時，就像在量子計算機中壹樣，光散射是壹個問題，這意味著信息正在從妳的量子計算機中泄漏。這是壹種抑制光散射的方法，我們正在為控制原子世界的總主題做出貢獻。”
這項研究部分由國家科學基金會和國防部資助。科羅拉多大學和奧塔哥大學團隊的相關工作發表在同壹期《科學》雜誌上。