研究人員利用藍(lán)色激光來檢測氣體透明度的增加

美國趣味科學(xué)網(wǎng)站近日報(bào)道，幾十年前預(yù)言的一種奇異的量子效應(yīng)終于得到證明——如果能夠讓一團(tuán)氣體變得足夠冷且足夠致密，那么就能讓它隱形。

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家用激光擠壓并冷卻鋰氣體，使其密度和溫度變化到足以減少光散射量的程度。這些科學(xué)家說，如果他們能讓這團(tuán)氣體的溫度降到更接近絕對零度（零下273.15攝氏度），那么這團(tuán)氣體將變得完全看不見。

這種奇異的效應(yīng)是名為泡利阻塞的量子力學(xué)過程的史上首個(gè)具體例子。

研究報(bào)告資深作者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授沃爾夫?qū)?middot;克特勒說：“我們觀察到的現(xiàn)象是泡利阻塞一種非常特殊和簡單的形式，也就是阻止一個(gè)原子做所有原子天然會(huì)做的事情：散射光子。這是首次清楚地觀察到這種效應(yīng)的存在，展示了物理學(xué)的一種新現(xiàn)象。”

泡利阻塞源自奧地利著名物理學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;泡利于1925年首次提出的泡利不相容原理。泡利假定，一切處于相同量子態(tài)的費(fèi)米子——如質(zhì)子、中子和電子——都不能處于同一空間。

報(bào)道稱，因?yàn)樵谠幃惖牧孔铀缴现淮嬖跀?shù)量有限的能量狀態(tài)，這迫使原子中的電子組成能級更高的殼，在距離原子核更遠(yuǎn)的軌道上旋轉(zhuǎn)。這還使不同原子的電子彼此保持距離，因?yàn)楦鶕?jù)著名物理學(xué)家弗里曼·戴森在1967年參與撰寫的一篇論文，如果沒有這個(gè)不相容原理，那么所有原子都會(huì)塌陷在一起并釋放巨大能量。

泡利不相容原理也適用于氣體中的原子。通常情況下，氣體云中的原子有很大的彈跳空間。這意味著，盡管它們可能是受泡利不相容原理約束的費(fèi)米子，但有足夠多未被占據(jù)的能級供它們躍遷。將一個(gè)光子送入一團(tuán)相對溫暖的氣體云，它撞上的任何原子都能與它相互作用，吸收它帶來的動(dòng)量，退回到一個(gè)不同的能級上并將光子散射出去。

但是，如果讓氣體冷卻下來，情況就會(huì)不同?，F(xiàn)在，原子失去能量，占滿了所有可用的最低能級，形成費(fèi)米海。這些粒子現(xiàn)在被彼此包圍，既不能上升到更高能級，也不能下降到更低能級。

研究人員解釋說，在這種情況下，這些聚集在殼里的粒子就像座無虛席的音樂廳里的聽眾一樣，即使被擊中也動(dòng)彈不得。由于排列過于緊密，這些粒子無法再與光相互作用。光被泡利阻塞了，只能徑直穿過。

克特勒說：“一個(gè)原子散射光子的前提是，通過移動(dòng)到另一個(gè)‘座位’上來吸收光子撞擊產(chǎn)生的力。如果其他‘座位’都被占了，那么原子就不能吸收沖擊力和散射光子。因此，原子變得透明。”

報(bào)道稱，在這項(xiàng)研究中，科研人員調(diào)整了激光束中的光子，使它們只撞擊與它們反向移動(dòng)的原子，從而使原子變慢并變冷?？蒲腥藛T將鋰氣體云的溫度降至略高于絕對零度。然后，他們使用另一束緊聚焦激光將這些原子的密度壓縮到每立方厘米約1000萬億個(gè)的創(chuàng)紀(jì)錄水平。

接下來，為了弄清過冷原子的隱形程度，這些物理學(xué)家用第三束也是最后一束激光照射原子，并用一個(gè)高度敏感的攝像頭統(tǒng)計(jì)了散射光子的數(shù)量。他們對這束激光進(jìn)行了精心校準(zhǔn)，以免改變氣體的溫度或密度。正如他們的理論所預(yù)測的那樣，與室溫下的原子相比，被冷卻和壓縮的原子散射的光少38%，這使它們的亮度顯著降低。

為了證明這種效應(yīng)，另兩個(gè)獨(dú)立研究的小組也冷卻了另外兩種氣體，即鉀和鍶。這三篇證明泡利阻塞的論文都于11月18日發(fā)表在美國《科學(xué)》周刊上。

報(bào)道稱，現(xiàn)在，研究人員終于證明了泡利阻塞效應(yīng)，未來有望利用這一效應(yīng)來開發(fā)抑制光的材料。這對于提高量子計(jì)算機(jī)的效率尤其有用，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的發(fā)展目前受到量子退相干的阻礙。量子退相干是指，（由光攜帶的）量子信息散失至計(jì)算機(jī)周圍環(huán)境中。

克特勒說：“每當(dāng)我們要控制量子世界、比如在處理量子計(jì)算機(jī)問題時(shí)，總會(huì)遇到光散射的問題。這意味著，信息會(huì)從量子計(jì)算機(jī)中泄露。這項(xiàng)研究揭示了一種抑制光散射的方法，我們正在為控制原子世界這個(gè)主題作貢獻(xiàn)。”