一項新的研究證實，當(dāng)原子被冷卻并被“擠壓”到極致時，它們散射光的能力會被抑制。一個原子的電子被安排在能量殼中。

　　就像競技場上的觀眾一樣，每個電子都占據(jù)著一張椅子，如果它的所有椅子都被占據(jù)，就不能降到較低的層級。原子物理學(xué)的這一基本屬性被稱為泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），它解釋了原子的殼結(jié)構(gòu)、元素周期表的多樣性以及物質(zhì)宇宙的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們以一種全新的方式觀察到了泡利不相容原理（又稱泡利原理）。

　　他們發(fā)現(xiàn)，該效應(yīng)可以抑制原子云對光的散射。

　　通常情況下，當(dāng)光子穿透原子云時，光子和原子可以像臺球一樣相互撞擊，向各個方向散射光線，從而使原子云可見。然而，麻省理工學(xué)院的研究小組觀察到，當(dāng)原子被過冷和超擠壓時，泡利原理開始發(fā)揮作用，粒子有效地減少了散射光的空間。光子反而流過，沒有被散射。

　　在他們的實驗中，物理學(xué)家們在一團鋰原子中觀察到了這種效應(yīng)。當(dāng)它們被變得更冷和更密集時，原子散射的光更少，并逐漸變得更暗。研究人員懷疑，如果他們能夠?qū)l件進(jìn)一步推高，達(dá)到絕對零度的溫度，這團云將變得完全不可見。

　　周二在《科學(xué)》雜志上報道的研究小組的結(jié)果，代表了首次觀察到保利阻斷對原子光散射的影響。這種效應(yīng)在30年前就被預(yù)測了，但直到現(xiàn)在才被觀察到。

　　麻省理工學(xué)院約翰-D-阿瑟物理學(xué)教授Wolfgang Ketterle說：“一般來說，泡利不相容已經(jīng)被證實，而且對于我們周圍世界的穩(wěn)定性絕對是至關(guān)重要的。我們所觀察到的是保利阻斷的一種非常特殊和簡單的形式，即它阻止一個原子做所有原子自然會做的事情：散射光。這是第一次明確觀察到這種效應(yīng)的存在，它顯示了物理學(xué)中的一個新現(xiàn)象?！?/p>

　　30年前，當(dāng)Ketterle作為博士后來到麻省理工學(xué)院時，他的導(dǎo)師David Pritchard，即Cecil和Ida Green物理學(xué)教授，做出了一個預(yù)測，即泡利不相容將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(jié)到接近靜止，并被擠壓到一個足夠狹小的空間，那么原子的行為就會像電子在密集的能量殼中一樣，沒有空間來改變它們的速度或位置。如果光子流進(jìn)來，它們就無法散射。

　　“一個原子只有在能夠吸收其踢力的情況下才能散射光子，通過移動到另一把椅子上，”Ketterle解釋說，他引用了競技場座位的比喻。“如果所有其他的椅子都被占用了，它就不再有能力吸收踢力和散射光子了。所以，原子變得透明。”

　　“這種現(xiàn)象以前從未被觀察到，因為人們無法生成足夠冷和密集的云，”Ketterle補充說。

　　近年來，包括Ketterle小組的物理學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)了基于磁和激光的技術(shù)，將原子降至超低溫。他說，限制性因素是密度。

　　“如果密度不夠高，一個原子仍然可以通過跳過幾把椅子來散射光，直到它找到一些空間，”Ketterle說?！澳鞘瞧款i?！?/p>

　　在他們的新研究中，他和他的同事使用了他們以前開發(fā)的技術(shù)，首先凍結(jié)了一團費米子--在這種情況下，是一種特殊的鋰原子同位素，它有三個電子、三個質(zhì)子和三個中子。他們將一團鋰原子凍結(jié)到20microkelvin，這大約是星際空間溫度的1/100,000。

　　研究人員解釋說：“然后我們使用一個緊密聚焦的激光來擠壓超冷原子以記錄密度，密度達(dá)到了每立方厘米約四億個原子。”

　　研究人員隨后將另一束激光照射到云中，他們仔細(xì)地校準(zhǔn)了這一束激光，使其光子不會加熱超冷原子或在光線通過時改變其密度。ZUI后，他們使用一個鏡頭和照相機來捕捉和計算設(shè)法散開的光子。

　　“我們實際上是在計算幾百個光子，這真的很驚人，”Margalit說。“一個光子是如此小的光量，但是我們的設(shè)備非常敏感，我們可以在相機上看到它們是一個小的光球?！?/p>

　　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，就像 Pritchard的理論所預(yù)測的那樣。在它們ZUI冷的時候，即大約20microkelvin的時候，原子變暗了38%，這意味著它們散射的光比不太冷、密度較低的原子少38%。

　　Margalit說：“這種超冷和非常密集的云的制度有其他的影響，可能會欺騙我們。因此，我們花了好幾個月的時間來篩選并拋開這些影響，以獲得ZUI清晰的測量結(jié)果。”

　　現(xiàn)在研究小組已經(jīng)觀察到保利阻斷確實可以影響原子散射光的能力，Ketterle說，這一基本知識可能被用來開發(fā)具有抑制光散射的材料，例如用于保存量子計算機的數(shù)據(jù)。

　　“每當(dāng)我們控制量子世界時，比如在量子計算機中，光散射是一個問題，意味著信息會從你的量子計算機中泄露出去，”他思考道?！斑@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作出貢獻(xiàn)?！?/p>