原子的電子排列在一層層能量殼上，但在費米子組成的系統中，不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態。在原子中完全確定一個電子的狀態需要四個量子數，不能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數。原子物理學的這一基本性質被稱為泡利不相容原理，它解釋了原子的殼結構、元素週期表的多樣性以及物質宇宙的穩定性。
現在，麻省理工學院的物理學家以一種全新的方式觀察了泡利不相容原理或泡利阻塞：發現這種效應可以抑制原子雲散射光的方式。
通常，當光子穿透一團原子雲時，光子和原子可以像檯球一樣相互撞擊，向各個方向散射光發出電磁輻射，從而使原子雲可見。然而，麻省理工學院的團隊觀察到，當原子被過冷凍和超壓縮時，泡利效應開始發揮作用，粒子散射光的空間更小。光子會流過，而不會被散射。
在實驗中，物理學家在鋰原子雲中觀察到了這種效應。隨著它們變得更冷和更密集，原子散射的光越來越少，並且逐漸變暗。研究人員懷疑，如果他們能夠將條件進一步推向絕對零度，雲將變得完全不可見。
該團隊今天在《科學》上報道的結果代表了泡利阻塞對原子光散射影響的首個觀察記錄。這種效應是在 30 年前預測的，但直到現在才被觀察到。
麻省理工學院約翰·D·亞瑟物理學教授Wolfgang Ketterle 表示：“總體而言，泡利阻塞已經得到證實。我們觀察到的是泡利阻塞的一種非常特殊和簡單的形式，它導致原子偏離所有原子的自然行為：散射光。這是首次明確觀察到這種效應存在，它顯示了物理學中的新現象。”
Ketterle 的合著者是主要作者和前麻省理工學院博士後 Yair Margalit、研究生 Yu-kun Lu 和 Furkan Top PhD '20。該團隊隸屬於麻省理工學院物理系、麻省理工學院-哈佛超冷原子中心和麻省理工學院電子研究實驗室 (RLE)。
30 年前，當 Ketterle 作為博士後來到麻省理工學院時，他的導師、Cecil 和 Ida Green 物理學教授 David Pritchard 做出預測，即泡利阻塞會抑制某些被稱為費米子的原子散射光的方式。
從廣義上講，他的想法是，如果原子被凍結到幾乎靜止狀態並被擠壓到足夠緊湊的空間中，那麼原子的行為就像電子在堆積的能量殼中一樣，沒有空間改變它們的速度或位置。如果光子流入，它們將無法散射。
“只有移動另一把椅子，原子才能踢開前面的椅子。”Ketterle 引用座位的比喻，“如果所有其他椅子都被固定，它就不再具有散射光子的能力。所以，原子變得透明瞭。”
“這種現象以前從未被觀察到，因為人們無法產生足夠冷和足夠密集的雲，”他補充道。
近年來，包括 Ketterle 小組在內的物理學家開發了磁性和基於鐳射的技術，將原子降至超低溫。他說，限制因素是密度。
“如果密度不夠高，一個原子仍然可以透過跳過幾把椅子直到找到一些空間來散射光。”Ketterle 說，“密度就是瓶頸所在。”
他和同事使用之前開發的技術首先凍結了費米子云——在這種情況下，是鋰原子的一種特殊同位素，它具有三個電子、三個質子和三個中子。他們將一團鋰原子凍結到 20 微開爾文，溫度約是星際空間溫度的 1/100000。
“然後我們使用緊密聚焦的鐳射擠壓超冷原子突破記錄，達到每立方厘米約 1000 億個原子。”Lu 解釋道。
然後，研究人員將另一束鐳射束照射到雲中，他們仔細校準，使其光子不會在光穿過時加熱超冷原子或改變它們的密度。最後，他們使用鏡頭和相機來捕獲並計算設法散射開的光子。
“我們找到了幾百個光子，這真的很神奇，光子的光量很小。但我們的裝置非常敏感，以至於我們可以在相機上將它們視為一小團光。”
正如理論所預測的那樣，在逐漸變冷的溫度和更高的密度下，原子散射的光越來越少。在最冷時，大約 20 微開爾文，原子變暗了 38%。
“這種超冷且非常密集的雲還有其他可能會欺騙我們的效應。因此，我們花了幾個月的時間來排除這些影響，以獲得最清晰的測量結果。”
現在，我們知道泡利阻塞確實會影響原子散射光的能力，Ketterle 說，這一基礎知識可用於開發抑制光散射的材料，例如在量子計算機中儲存資料。
“每當我們控制量子世界時，就像在量子計算機中一樣，光散射就是一個問題，這意味著資訊正在從你的量子計算機中洩漏。這是抑制光散射的一種方法，我們正在為控制原子世界的總主題做出貢獻。”
這項研究部分由美國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出現在同一期《科學》上。
