研究人員利用藍色激光來檢測氣體透明度的增加

美國趣味科學網站近日報道，幾十年前預言的一種奇異的量子效應終于得到證明——如果能夠讓一團氣體變得足夠冷且足夠致密，那么就能讓它隱形。

麻省理工學院的科學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。這些科學家說，如果他們能讓這團氣體的溫度降到更接近絕對零度（零下273.15攝氏度），那么這團氣體將變得完全看不見。

這種奇異的效應是名為泡利阻塞的量子力學過程的史上首個具體例子。

研究報告資深作者、麻省理工學院物理學教授沃爾夫岡·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，也就是阻止一個原子做所有原子天然會做的事情：散射光子。這是首次清楚地觀察到這種效應的存在，展示了物理學的一種新現(xiàn)象。”

泡利阻塞源自奧地利著名物理學家沃爾夫岡·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)的費米子——如質子、中子和電子——都不能處于同一空間。

報道稱，因為在詭異的量子水平上只存在數量有限的能量狀態(tài)，這迫使原子中的電子組成能級更高的殼，在距離原子核更遠的軌道上旋轉。這還使不同原子的電子彼此保持距離，因為根據著名物理學家弗里曼·戴森在1967年參與撰寫的一篇論文，如果沒有這個不相容原理，那么所有原子都會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米子，但有足夠多未被占據的能級供它們躍遷。將一個光子送入一團相對溫暖的氣體云，它撞上的任何原子都能與它相互作用，吸收它帶來的動量，退回到一個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：“一個原子散射光子的前提是，通過移動到另一個‘座位’上來吸收光子撞擊產生的力。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。”

報道稱，在這項研究中，科研人員調整了激光束中的光子，使它們只撞擊與它們反向移動的原子，從而使原子變慢并變冷。科研人員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1000萬億個的創(chuàng)紀錄水平。

接下來，為了弄清過冷原子的隱形程度，這些物理學家用第三束也是最后一束激光照射原子，并用一個高度敏感的攝像頭統(tǒng)計了散射光子的數量。他們對這束激光進行了精心校準，以免改變氣體的溫度或密度。正如他們的理論所預測的那樣，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，另兩個獨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》周刊上。

報道稱，現(xiàn)在，研究人員終于證明了泡利阻塞效應，未來有望利用這一效應來開發(fā)抑制光的材料。這對于提高量子計算機的效率尤其有用，因為量子計算機的發(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）量子信息散失至計算機周圍環(huán)境中。

克特勒說：“每當我們要控制量子世界、比如在處理量子計算機問題時，總會遇到光散射的問題。這意味著，信息會從量子計算機中泄露。這項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主題作貢獻。”