Фізики відкрили новий тип взаємодій між світлом та атомами

Вчені виявили, що при охолодженні до наднизьких температур атоми починають слабше розсіювати світло, що пов’язано з невідомими раніше проявами квантової фізики у взаємодіях атомів і частинок світла. Результати дослідження опублікував науковий журнал Science.

“Ми виявили раніше невідомий прояв принципу заборони Паулі, який у даному випадку заважає атомам нормально розсіювати світло. Раніше ми не могли зафіксувати це явище, оскільки ми не могли створити таку холодну і щільну хмару атомів”, – розповів один із авторів дослідження, професор Массачусетського технологічного інституту (MIT) Вольфганг Кеттерлє.

Принцип заборони Паулі – це один із наріжних принципів квантової механіки. Він говорить, що електрони та інші ферміони не можуть одночасно перебувати в тому самому квантовому стані. Ця властивість ферміонів пояснює існування нейтронних зірок та маси інших об’єктів та фізичних явищ.

Кеттерле та його колеги з’ясували, що заборона Паулі діє не тільки на електрони, а й більші структури, у тому числі й атоми. Вони дійшли такого висновку в ході експериментів з новою холодильною установкою, яка була нещодавно розроблена в MIT для охолодження молекул та атомів до рекордно малих температур.

Створення цієї установки, як зазначає Кеттерле, наштовхнуло його на думку, що вона дозволить охолодити атоми до такої температури, коли вони повністю припинять випадкові рухи. Теоретично, це дозволить настільки щільно розмістити їх поруч друг з одним, що у взаємодії атомів почнуть впливати квантові ефекти.

Керуючись подібними міркуваннями, фізики стиснули хмару з атомів стронцію-87 і охолодили її до температури, що перевищує абсолютний нуль лише на 20 мікрокельвінів. В результаті цього скупчення атомів перейшло в стан, подібний до того, як у таких умовах поводилася б хмара, що складається з електронів або інших ферміонів.

Кеттерле та його колеги скористалися цим для вивчення того, які унікальні фізичні властивості мають подібні надщільні хмари з атомів. Вимірювання показали, що атоми стронцію-87 перестали нормально розсіювати світло, внаслідок чого вони стали майже повністю прозорими для фотонів.

Ця аномальна поведінка, за словами фізиків, повністю відповідає тому, як поводилися б електрони в подібній ситуації відповідно до принципу заборони Паулі. Відповідно, подібні результати дослідів свідчать, що це правило квантової механіки діє як на електрони, а й атоми. Подібне відкриття, за словами фізиків, має багато практичних застосувань.

“Розсіювання світла є великою проблемою при розробці квантових комп’ютерів, оскільки подібним чином інформація буквально “збігає” від нас. Ми відкрили можливий спосіб запобігання таким витокам, що значно розширило наш інструментарій для управління поведінкою об’єктів мікросвіту”, – підсумував Кеттерле.