Ahora, los físicos del MIT han observado el principio de exclusión de Pauli, o bloqueo de Pauli, de una manera completamente nueva: han descubierto que este efecto suprime la forma en que las nubes de átomos dispersan la luz.
Normalmente, cuando los fotones penetran en una nube atómica, los fotones y los átomos pueden chocar entre sí como bolas de billar, dispersando la luz en todas direcciones y emitiendo radiación electromagnética, haciendo visible la nube atómica. Sin embargo, el equipo del MIT observó que cuando los átomos se congelan y se supercomprimen, se activa el efecto Pauli y las partículas tienen menos espacio para dispersar la luz. Los fotones fluirán sin dispersarse.
En experimentos, los físicos observaron este efecto en nubes de átomos de litio. A medida que se vuelven más fríos y densos, los átomos dispersan cada vez menos luz y se vuelven más oscuros. Los investigadores sospechan que si pudieran llevar las condiciones hacia el cero absoluto, las nubes se volverían completamente invisibles.
Los resultados que el equipo informa hoy en Science representan el primer registro observacional del efecto del bloqueo de Pauli en la dispersión de la luz atómica. Este efecto se predijo hace 30 años pero no se había observado hasta ahora.
Wolfgang Kettler, profesor de Física John D. Arthur en el MIT, dijo: "En general, se ha confirmado el bloqueo de Pauli. Lo que observamos es una forma muy especial y simple de bloqueo de Pauli, que hace que los átomos desviarse del comportamiento natural de todos los átomos: la dispersión de la luz. Esta es la primera vez que este efecto se observa claramente, lo que muestra un nuevo fenómeno en la física".
Kettler fue coautor del ex postdoctorado del MIT, Yair. Margalit, los estudiantes de posgrado Yu-Kun Lu y Furkan Top PhD '20. El equipo está afiliado al Departamento de Física del MIT, el Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard y el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del MIT.
Cuando Kettler llegó al MIT como postdoctorado hace 30 años, su mentor, David Pritchard, profesor de física de la Universidad Cecil e Ida Green, predijo que el bloqueo de Pauli suprime la forma en que algunos átomos llamados fermiones dispersan la luz.
En términos generales, su idea era que si los átomos se congelaran a un estado casi estacionario y se comprimieran en un espacio lo suficientemente compacto, los átomos se comportarían como electrones en capas de energía apiladas. Nuevamente, no hay espacio para cambiar la velocidad o la posición. . Si los fotones entran, no pueden dispersarse.
"Los átomos pueden patear la silla que tienen delante sólo moviendo otra silla." Kettler citó la analogía de las sillas: "Si las otras sillas estuvieran quietas, ya no tendrían la capacidad de dispersar fotones. " . Como resultado, los átomos se vuelven transparentes."
"Este fenómeno nunca se había observado antes porque la gente no ha podido crear nubes que sean lo suficientemente frías y densas", añadió.
En los últimos años, los físicos, incluido el equipo de Kettler, han desarrollado técnicas basadas en campos magnéticos y láseres que pueden reducir los átomos a temperaturas ultrabajas. El factor limitante, afirmó, es la densidad.
"Si la densidad no es lo suficientemente alta, el átomo aún puede saltar algunas sillas para dispersar la luz hasta que encuentre algo de espacio". Ketterer dijo: "La densidad es el cuello de botella".
Él y sus colegas utilizaron técnicas previamente desarrolladas para congelar primero la nube de Fermi, en este caso, un isótopo especial de átomos de litio que tiene tres electrones, tres protones y tres neutrones. Congelaron un grupo de átomos de litio a 20 microkelvin, que es aproximadamente 1/100.000 de la temperatura del espacio interestelar.
"Luego utilizamos un láser muy enfocado para exprimir átomos ultrafríos y batir el récord, alcanzando alrededor de 6.543,8+000 mil millones de átomos por centímetro cúbico", explicó Lu.
Luego, los investigadores dirigieron otro rayo láser hacia la nube, calibrándolo cuidadosamente para que sus fotones no calentaran los átomos ultrafríos ni cambiaran su densidad a medida que la luz pasaba. Finalmente, utilizan lentes y cámaras para capturar y contar los fotones que intentan dispersar.
"Es realmente sorprendente que hayamos encontrado cientos de fotones. Los fotones son una pequeña cantidad de luz. Pero nuestro dispositivo es tan sensible que podemos pensar en ellos como pequeñas luces en una cámara.
Como predice la teoría, a temperaturas más frías y densidades más altas, los átomos dispersan cada vez menos luz. A las temperaturas más frías, alrededor de 20 microkelvin, los átomos se oscurecen un 38%.
"Esta nube ultrafría y muy densa tiene otros efectos que podrían estar engañándonos. Así que pasamos varios meses eliminando estos efectos para obtener las mediciones más claras posibles". Sabemos que la barrera de Pauli afecta la capacidad de los átomos para dispersar la luz. Kettler dijo que estos conocimientos básicos podrían usarse para desarrollar materiales que supriman la dispersión de la luz, como por ejemplo para almacenar datos en computadoras cuánticas.
"Cada vez que controlamos el mundo cuántico, como en una computadora cuántica, la dispersión de la luz es un problema, lo que significa que se escapa información de su computadora cuántica. Este es un tipo de supresión de la dispersión de la luz. Con este enfoque, estamos contribuyendo al tema general del control del mundo atómico".
Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Defensa. En el mismo número de Science se publicó un trabajo relacionado realizado por equipos de la Universidad de Colorado y la Universidad de Otago.