Eine neue Studie bestätigt, dass Atome, wenn sie bis zum Äußersten gekühlt und zusammengedrückt werden, ihre Fähigkeit, Licht zu streuen, unterdrückt werden. Bildnachweis: Christine Daniloff, MIT
Wie ultrakalte, superdichte Atome unsichtbar werden
Eine neue Studie bestätigt, dass Atome, wenn sie bis zum Äußersten gekühlt und zusammengedrückt werden, ihre Fähigkeit, Licht zu streuen, unterdrückt werden.
Ein Atoms Elektronen sind in Energieschalen angeordnet. Wie Konzertbesucher in einer Arena besetzt jedes Elektron einen einzelnen Stuhl und kann nicht auf eine niedrigere Ebene fallen, wenn alle seine Stühle besetzt sind. Diese grundlegende Eigenschaft der Atomphysik ist als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt und erklärt die Schalenstruktur von Atomen, die Vielfalt des Periodensystems der Elemente und die Stabilität des materiellen Universums.
Jetzt, MIT Physiker haben das Pauli-Ausschlussprinzip oder die Pauli-Blockierung auf ganz neue Weise beobachtet: Sie haben herausgefunden, dass der Effekt die Lichtstreuung einer Atomwolke unterdrücken kann.
Wenn Lichtphotonen eine Atomwolke durchdringen, können sich die Photonen und Atome normalerweise wie Billardkugeln gegenseitig anstoßen, Licht in alle Richtungen streuen, um Licht auszustrahlen und so die Wolke sichtbar zu machen. Das MIT-Team beobachtete jedoch, dass der Pauli-Effekt einsetzt, wenn Atome unterkühlt und ultragequetscht werden und die Partikel effektiv weniger Platz haben, um Licht zu streuen. Stattdessen strömen die Photonen hindurch, ohne gestreut zu werden.
Das Prinzip des Pauli-Blockens lässt sich anhand einer Analogie von Personen, die Sitze in einer Arena besetzen, veranschaulichen. Jede Person repräsentiert ein Atom, während jeder Sitz einen Quantenzustand repräsentiert. Bei hohen Temperaturen (a) sitzen Atome zufällig, sodass jedes Teilchen Licht streuen kann. Bei niedrigen Temperaturen (b) drängen sich Atome zusammen. Nur wer mehr Platz am Rand hat, kann Licht streuen. Credit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher
In ihren Experimenten beobachteten die Physiker diesen Effekt in einer Wolke aus Lithiumatomen. Als sie kälter und dichter gemacht wurden, streuten die Atome weniger Licht und wurden immer dunkler. Die Forscher vermuten, dass, wenn sie die Bedingungen weiter treiben könnten, auf Temperaturen von Absoluter Nullpunkt, würde die Wolke komplett unsichtbar werden.
Die Ergebnisse des Teams, die heute in . veröffentlicht wurden Wissenschaft, stellen die erste Beobachtung des Pauli-Blocking-Effekts auf die Lichtstreuung durch Atome dar. Dieser Effekt wurde vor 30 Jahren vorhergesagt, aber bisher nicht beobachtet.
„Die Pauli-Blockierung im Allgemeinen hat sich bewährt und ist für die Stabilität der Welt um uns herum absolut unerlässlich“, sagt Wolfgang Ketterle, John D. Arthur Professor of Physics am MIT. „Was wir beobachtet haben, ist eine ganz besondere und einfache Form der Pauli-Blockierung, nämlich dass sie ein Atom daran hindert, was alle Atome natürlich tun würden: Licht zu streuen. Dies ist die erste klare Beobachtung, dass dieser Effekt existiert und zeigt ein neues Phänomen in der Physik.“
Die Co-Autoren von Ketterle sind der Erstautor und ehemalige MIT-Postdoc Yair Margalit, der Doktorand Yu-kun Lu und Furkan Top PhD ’20. Das Team ist mit der Physikabteilung des MIT, dem MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms und dem Research Laboratory of Electronics (RLE) des MIT verbunden.
Ein leichter Kick
Als Ketterle vor 30 Jahren als Postdoc ans MIT kam, machte sein Mentor David Pritchard, der Cecil- und Ida Green-Professor für Physik, die Vorhersage, dass die Pauli-Blockierung die Art und Weise unterdrücken würde, wie bestimmte Atome, die als Fermionen bekannt sind, Licht streuen.
Seine Idee, im Großen und Ganzen, war, dass, wenn Atome fast zum Stillstand gefroren und in einen ausreichend engen Raum gequetscht würden, sich die Atome wie Elektronen in gepackten Energiehüllen verhalten würden, ohne Raum, um ihre Geschwindigkeit oder Position zu ändern. Wenn Lichtphotonen einströmen würden, könnten sie sich nicht streuen.
Doktorand Yu-Kun Lu richtet Optiken zur Beobachtung der Lichtstreuung von ultrakalten Atomwolken aus. Credit: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher
„Ein Atom kann ein Photon nur streuen, wenn es die Kraft seines Stoßes absorbieren kann, indem es sich auf einen anderen Stuhl bewegt“, erklärt Ketterle die Analogie der Arena-Sitzplätze. „Wenn alle anderen Stühle besetzt sind, hat er nicht mehr die Fähigkeit, den Kick zu absorbieren und das Photon zu streuen. So werden die Atome transparent.“
„Dieses Phänomen war noch nie zuvor beobachtet worden, weil der Mensch keine ausreichend kalten und dichten Wolken erzeugen konnte“, ergänzt Ketterle.
„Kontrolle der Atomwelt“
In den letzten Jahren haben Physiker unter anderem um Ketterle magnetische und laserbasierte Techniken entwickelt, um Atome auf ultrakalte Temperaturen zu bringen. Der limitierende Faktor sei die Dichte gewesen.
„Wenn die Dichte nicht hoch genug ist, kann ein Atom immer noch Licht streuen, indem es über ein paar Stühle springt, bis es Platz findet“, sagt Ketterle. “Das war der Flaschenhals.”
In ihrer neuen Studie verwendeten er und seine Kollegen zuvor entwickelte Techniken, um zunächst eine Fermionenwolke einzufrieren – in diesem Fall ein spezielles Isotop des Lithiumatoms, das drei Elektronen, drei Protonen und drei Neutronen hat. Sie froren eine Wolke aus Lithiumatomen auf 20 Mikrokelvin herunter, was etwa 1/100 000 der Temperatur des interstellaren Raums entspricht.
„Wir haben dann mit einem stark fokussierten Laser die ultrakalten Atome zusammengepresst, um Dichten aufzuzeichnen, die etwa eine Billiarde Atome pro Kubikzentimeter erreichten“, erklärt Lu.
Anschließend richteten die Forscher einen weiteren Laserstrahl in die Wolke, die sie sorgfältig kalibrierten, damit ihre Photonen die ultrakalten Atome nicht erhitzen oder ihre Dichte beim Durchtritt des Lichts verändern. Schließlich verwendeten sie ein Objektiv und eine Kamera, um die Photonen einzufangen und zu zählen, die es schafften, sich zu zerstreuen.
„Wir zählen tatsächlich ein paar hundert Photonen, was wirklich erstaunlich ist“, sagt Margalit. „Ein Photon ist so wenig Licht, aber unsere Ausrüstung ist so empfindlich, dass wir es als kleinen Lichtfleck auf der Kamera sehen können.“
Bei zunehmend kälteren Temperaturen und höheren Dichten streuten die Atome immer weniger Licht, genau wie es die Theorie von Pritchard voraussagte. In ihrer kältesten Phase, bei etwa 20 Mikrokelvin, waren die Atome 38 Prozent dunkler, was bedeutet, dass sie 38 Prozent weniger Licht streuten als weniger kalte, weniger dichte Atome.
„Dieses Regime von ultrakalten und sehr dichten Wolken hat andere Auswirkungen, die uns möglicherweise täuschen könnten“, sagt Margalit. „Also haben wir ein paar gute Monate damit verbracht, diese Effekte zu sichten und beiseite zu legen, um die klarsten Messungen zu erhalten.“
Nachdem das Team nun beobachtet hat, dass die Pauli-Blockierung tatsächlich die Fähigkeit eines Atoms zur Lichtstreuung beeinträchtigen kann, sagt Ketterle, dass dieses grundlegende Wissen genutzt werden könnte, um Materialien mit unterdrückter Lichtstreuung zu entwickeln, beispielsweise um Daten in Quantencomputern zu speichern.
„Immer wenn wir die Quantenwelt kontrollieren, wie bei Quantencomputern, ist die Lichtstreuung ein Problem und bedeutet, dass Informationen aus Ihrem Quantencomputer austreten“, sinniert er. „Dies ist eine Möglichkeit, Lichtstreuung zu unterdrücken, und wir tragen zum allgemeinen Thema der Kontrolle der atomaren Welt bei.“
Referenz: „Pauli Blocking of Light Scattering in degenerate fermions“ von Yair Margalit, Yu-Kun Lu, Furkan Çagri Top und Wolfgang Ketterle, 18. November 2021, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abi6153
Diese Forschung wurde teilweise von der National Science Foundation und dem Verteidigungsministerium finanziert. Verwandte Arbeiten von Teams der University of Colorado und der University of Otago erscheinen in derselben Ausgabe von Wissenschaft.