새로운 연구에 따르면 원자가 냉각되고 극도로 압축되면 빛을 산란시키는 능력이 억제됩니다. 크레딧: Kristen Danilov, MIT
초밀도 및 초저온 원자가 보이지 않게 되는 방법
새로운 연구에 따르면 원자가 냉각되고 극도로 압축되면 빛을 산란시키는 능력이 억제됩니다.
저것 옥수수전자는 에너지 껍질에 배열됩니다. 경기장의 콘서트 관객과 마찬가지로 각 전자는 하나의 의자를 차지하며 모든 의자가 채워져 있으면 더 낮은 수준으로 내려갈 수 없습니다. 이러한 원자물리학의 기본적인 성질을 파울리 배타원리(Pauli Exclusion Principle)라고 하며, 원자의 외피 구조, 원소 주기율표의 다양성, 물리적 우주의 안정성을 설명합니다.
현재, 와 함께 물리학자들은 파울리 배제 원리 또는 파울리 배제를 완전히 새로운 방식으로 관찰했습니다. 그들은 그 효과가 원자 구름이 빛을 산란시키는 방식을 차단할 수 있다는 것을 발견했습니다.
일반적으로 빛의 광자가 원자 구름을 통과하면 광자와 원자가 당구공처럼 흩어지며 빛을 모든 방향으로 산란시켜 빛을 발산하여 구름을 볼 수 있습니다. 그러나 MIT 팀은 원자가 과냉각되고 극도로 압착될 때 파울리 효과가 시작되고 입자가 빛을 산란할 공간이 적다는 점에 주목했습니다. 대신 광자는 흩어지지 않고 흐릅니다.
파울리 금지의 원리는 광장의 좌석을 채우는 사람들에 비유하여 설명할 수 있습니다. 각 사람은 원자를 나타내고 각 좌석은 양자 상태를 나타냅니다. 더 높은 온도(a)에서 원자는 무작위로 위치하여 각 입자가 빛을 산란시킬 수 있습니다. 더 낮은 온도(b)에서 원자는 함께 뭉칩니다. 가장자리 근처에 더 많은 공간이 있는 사람만이 빛을 산란시킬 수 있습니다. 신용: 연구원의 의례
물리학자들은 실험에서 리튬 원자 구름에서 이 효과를 관찰했습니다. 더 차갑고 밀도가 높아짐에 따라 원자는 빛을 덜 산란시키고 점차 불투명해졌습니다. 연구원들은 조건을 최대 40도까지 끌어올릴 수 있다고 믿습니다. 절대 영도, 구름이 완전히 보이지 않게 됩니다.
팀 결과는 오늘 에 보고되었습니다. 과학, 원자에 의한 빛 산란에 대한 파울리 차단 효과의 첫 번째 관찰을 나타냅니다. 이 효과는 30년 전에 예측되었지만 지금까지 관찰되지 않았습니다.
볼프강 케털레(John D. “우리가 관찰한 것은 파울리 차단의 매우 특별하고 단순한 형태로, 모든 원자가 자연적으로 하는 것인 빛의 산란으로부터 원자를 차단한다는 것입니다. 이것은 이 효과의 존재에 대한 최초의 명확한 관찰이며, 물리학의 새로운 현상을 보여줍니다.”
Ketterle의 공동 저자는 수석 저자이자 전 MIT 박사후 연구원인 Yair Margalit, 대학원생 Yu-kun Lu 및 Furkan Top PhD ’20입니다. 이 팀은 MIT 물리학과, MIT 하버드 초저온 원자 센터 및 MIT RLE(Research Electronics Laboratory)에 속해 있습니다.
가벼운 발차기
Ketterle가 30년 전 박사후 연구원으로 MIT에 왔을 때 그의 멘토 David Pritchard, Cecil 및 Ida Green 물리학 교수 Ida Green은 Pauli 차단이 페르미온으로 알려진 특정 원자가 빛을 산란시키는 방식을 약화시킬 것이라고 예측했습니다.
그의 생각은 일반적으로 원자가 거의 완성될 때까지 얼어붙어 충분히 좁은 공간으로 압축되면 원자가 속도나 위치를 변경할 여지가 없이 꽉 찬 에너지 껍질에 있는 전자처럼 행동할 것이라는 것이었습니다. 빛의 광자가 흐르면 산란할 수 없습니다.
대학원생인 Yu-Kun Lu는 초저온 원자 구름에서 나오는 빛의 산란을 관찰하기 위해 광학 장치를 정렬합니다. 신용: 연구원의 의례
“원자는 다른 의자로 이동하여 발차기의 힘을 흡수할 수 있는 경우에만 광자를 산란시킬 수 있습니다.”라고 Ketterle는 고리에 앉아 있는 비유를 인용하여 설명합니다. “다른 모든 의자가 점유되면 발차기를 흡수하고 광자를 산란시키는 능력이 없을 것입니다. 따라서 원자가 투명해집니다.”
“이 현상은 사람들이 충분히 차갑고 밀도가 높은 구름을 형성할 수 없었기 때문에 이전에는 관찰되지 않았습니다.”라고 Ketterle가 덧붙입니다.
“원자 세계의 지배”
최근 몇 년 동안 Ketterle의 그룹을 포함한 물리학자들은 원자를 극도로 낮은 온도로 낮추는 레이저 기반 자기 기술을 개발했습니다. 그는 제한 요소가 밀도였다고 말합니다.
“밀도가 충분히 높지 않으면 원자가 공간을 찾을 때까지 몇 자리를 뛰어다니며 빛을 산란시킬 수 있습니다.”라고 Ketterle는 말합니다. “그게 병목이었다.”
새로운 연구에서 그와 그의 동료들은 이전에 개발된 기술을 사용하여 먼저 페르미온 구름을 동결했습니다. 이 경우에는 3개의 전자, 3개의 양성자 및 3개의 중성자를 포함하는 리튬 원자의 특수 동위원소입니다. 그들은 리튬 원자 구름을 성간 공간 온도의 약 1/10000인 20마이크로켈빈까지 동결시킵니다.
“그런 다음 우리는 초저온 원자를 압축하기 위해 고도로 집중된 레이저를 사용하여 입방 센티미터당 약 1,000조 개의 원자 밀도를 기록했습니다.”라고 Lu가 설명합니다.
그런 다음 연구원들은 또 다른 레이저 빔을 구름에 비추고 광자가 매우 차가운 원자를 가열하거나 빛이 통과할 때 강도를 변경하지 않도록 조심스럽게 보정했습니다. 마지막으로 그들은 렌즈와 카메라를 사용하여 흩어지는 광자를 포착하고 세었습니다.
“우리는 실제로 수백 개의 광자를 계산하고 있습니다. 이는 정말 놀라운 일입니다.”라고 Margalit은 말합니다. “광자는 아주 작은 양의 빛이지만 우리 장치는 너무 민감하여 카메라에서 그것을 작은 빛으로 볼 수 있습니다.”
Pritchard의 이론이 예측한 것처럼 점진적으로 더 낮은 온도와 더 높은 강도에서 원자는 점점 더 적은 빛을 산란합니다. 가장 낮은 온도인 약 20마이크로켈빈에서 원자는 38% 더 약했으며, 이는 더 차갑고 덜 강한 원자보다 38% 더 적은 빛을 산란한다는 것을 의미합니다.
“매우 차갑고 매우 빽빽한 이 구름 시스템은 우리를 속일 수 있는 다른 효과를 가지고 있습니다.”라고 Margalit은 말합니다. “그래서 우리는 가장 명확한 측정값을 얻기 위해 이러한 효과를 선별하고 따로 두는 데 몇 달을 보냈습니다.”
이제 팀은 Pauli 차단이 실제로 원자의 빛 산란 능력에 영향을 줄 수 있다는 것을 알아차렸으므로 이 기본 지식은 예를 들어 양자 컴퓨터에서 데이터를 보존하기 위해 억제된 광산란이 있는 물질을 개발하는 데 사용할 수 있다고 Ketterle는 말합니다.
“양자 컴퓨터에서처럼 양자 세계를 제어할 때 빛의 산란이 문제이며 이는 정보가 양자 컴퓨터에서 새어나온다는 것을 의미합니다.”라고 그는 반성합니다. “이것은 빛의 산란을 억제하는 한 가지 방법이며 우리는 원자 세계를 제어한다는 일반적인 아이디어에 기여합니다.”
참조: Yair Margalit, Yu-Kun Lo 및 Furkan Shagri-Top 및 Wolfgang Ketterle의 “축퇴 페르미온에서 빛 산란을 차단하는 파울리”, 2021년 11월 18일 여기에서 볼 수 있습니다. 과학.
DOI: 10.1126 / science.abi6153
이 연구는 부분적으로 국립과학재단과 국방부의 지원을 받았습니다. 콜로라도 대학과 오타고 대학 팀의 관련 연구는 같은 호에 나타납니다. 과학.
