Les électrons d’un atome sont disposés en couches d’énergie. Comme les spectateurs dans une arène, chaque électron occupe une seule chaise et ne peut pas descendre à un niveau inférieur si toutes ses chaises sont occupées. Cette propriété fondamentale de la physique atomique est connue sous le nom de principe d’exclusion de Pauli, et elle explique la structure en coque des atomes, la diversité du tableau périodique des éléments et la stabilité de l’univers matériel.
Maintenant, les physiciens du MIT ont observé le principe d’exclusion de Pauli, ou blocage de Pauli, d’une toute nouvelle manière : ils ont découvert que l’effet peut supprimer la façon dont un nuage d’atomes diffuse la lumière.
Normalement, lorsque des photons de lumière pénètrent dans un nuage d’atomes, les particules peuvent s’entrechoquer comme des boules de billard, diffusant des photons dans toutes les directions pour irradier la lumière et ainsi rendre le nuage noticeable. Cependant, l’équipe du MIT a observé que lorsque les atomes sont surfondus et ultraserrés, l’effet Pauli se déclenche et les particules ont effectivement moins de location pour diffuser la lumière. Au lieu de cela, les photons circulent à travers, sans être dispersés.
Dans leurs expériences, les physiciens ont observé cet effet dans un nuage d’atomes de lithium. Au fur et à mesure qu’ils sont devenus additionally froids et plus denses, les atomes ont diffusé moins de lumière et sont devenus progressivement moreover sombres. Les chercheurs soupçonnent que s’ils pouvaient pousser les conditions moreover loin, jusqu’à des températures du zéro absolu, le nuage deviendrait entièrement invisible.
Les résultats de l’équipe, publiés dans Science, représentent la première observation de l’effet du blocage de Pauli sur la diffusion de la lumière par les atomes. Cet effet a été prédit il y a 30 ans mais n’a pas été observé jusqu’à présent.
« Le blocage de Pauli en général a été prouvé et est absolument essentiel pour la stabilité du monde qui nous entoure », déclare Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. Arthur au MIT. « Ce que nous avons observé est une forme très spéciale et easy de blocage de Pauli, c’est-à-dire qu’il empêche un atome de ce que tous les atomes feraient naturellement : disperser la lumière. C’est la première observation claire que cet effet existe, et il montre un nouveau phénomène en physique.
Les co-auteurs de Ketterle sont l’auteur principal et ancien postdoctorant du MIT Yair Margalit, l’étudiant diplômé Yukun Lu et Furkan Prime PhD ’20. L’équipe est affiliée au département de physique du MIT, au MIT-Harvard Heart for Ultracold Atoms et au Study Laboratory of Electronics (RLE) du MIT.
Un coup de pied léger
Lorsque Ketterle est arrivé au MIT en tant que postdoctorant il y a 30 ans, son mentor, David Pritchard, professeur de physique à Cecil et Ida Environmentally friendly, a prédit que le blocage de Pauli supprimerait la façon dont certains atomes connus sous le nom de fermions diffusent la lumière.
Son idée, d’une manière générale, était que si les atomes étaient gelés jusqu’à un quasi-arrêt et pressés dans un espace suffisamment étroit, les atomes se comporteraient comme des électrons dans des enveloppes d’énergie emballées, sans espace pour déplacer leur vitesse ou leur situation. Si des photons de lumière affluaient, ils ne pourraient pas se disperser et illuminer les atomes.
« Un atome ne peut diffuser un photon que s’il peut absorber la power de son coup de pied, en se déplaçant sur une autre chaise », explique Ketterle, invoquant l’analogie des sièges d’arène. « Si toutes les autres chaises sont occupées, il n’a moreover la capacité d’absorber le coup de pied et de disperser le photon. Ainsi, l’atome devient transparent. »
« Ce phénomène n’avait jamais été observé auparavant, auto les gens n’étaient pas capables de générer des nuages suffisamment froids et denses », ajoute Ketterle.
« Contrôler le monde atomique »
Ces dernières années, des physiciens, dont ceux du groupe de Ketterle, ont développé des tactics magnétiques et laser pour ramener les atomes à des températures ultrafroides. Le facteur limitant, dit-il, était la densité.
« Si la densité n’est pas assez élevée, un atome peut toujours diffuser la lumière en sautant par-dessus quelques chaises jusqu’à ce qu’il trouve de la place », explique Ketterle. « C’était le goulot d’étranglement. »
Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont utilisé des procedures qu’ils avaient développées précédemment pour geler d’abord un nuage de fermions – dans ce cas, un isotope spécial de l’atome de lithium, qui possède trois électrons, trois protons et trois neutrons. Ils ont gelé un nuage d’atomes de lithium jusqu’à 20 microkelvins, soit environ 1/100 000 de la température de l’espace interstellaire.
« Nous avons ensuite utilisé un laser étroitement focalisé pour presser les atomes ultrafroids afin d’enregistrer des densités, qui ont atteint approximativement un quadrillion d’atomes par centimètre cube », explique Lu.
Les chercheurs ont ensuite projeté un autre faisceau laser dans le nuage, qu’ils ont soigneusement calibré afin que ses photons ne réchauffent pas les atomes ultrafroids ou ne modifient leur densité lorsque la lumière les traverse. Enfin, ils ont utilisé un objectif et un appareil photograph pour capturer et compter les photons qui ont réussi à se disperser.
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À des températures de as well as en plus froides et à des densités additionally élevées, les atomes ont diffusé de moins en moins de lumière, comme le prévoyait la théorie de Pritchard. À leur furthermore froid, à environ 20 microkelvins, les atomes étaient 38 pour cent plus faibles, ce qui signifie qu’ils diffusaient 38 pour cent moins de lumière que les atomes moins froids et moins denses.
« Ce régime de nuages ultrafroids et très denses a d’autres effets qui pourraient éventuellement nous tromper », explique Margalit. « Donc, nous avons passé quelques bons mois à passer au crible et à mettre de côté ces effets, pour obtenir la mesure la furthermore claire. »
Maintenant que l’équipe a observé que le blocage de Pauli peut effectivement affecter la capacité d’un atome à diffuser la lumière, Ketterle dit que cette connaissance fondamentale peut être utilisée pour développer des matériaux de suppression de la lumière, par exemple pour préserver les données dans les ordinateurs quantiques.
« Chaque fois que nous contrôlons le monde quantique, comme dans les ordinateurs quantiques, la diffusion de la lumière est un problème et signifie que des informations s’échappent de votre ordinateur quantique », se souvient-il. « C’est un moyen de supprimer la diffusion de la lumière, et nous contribuons au thème général du contrôle du monde atomique. »
