En atoms elektroner är ordnade i energiskal. Liksom konsertbesökare på en arena upptar varje elektron en enda stol och kan inte sjunka till en lägre nivå om alla dess stolar är upptagna. Denna grundläggande egenskap hos atomfysiken är känd som Pauli-uteslutningsprincipen, och den förklarar atomernas skalstruktur, mångfalden av det periodiska systemet av element och stabiliteten i det materiella universum.

Nu har MIT-fysiker observerat Pauli-uteslutningsprincipen, eller Pauli-blockering, på ett helt nytt sätt:De har funnit att effekten kan undertrycka hur ett moln av atomer sprider ljus.

Normalt, när fotoner av ljus tränger in i ett moln av atomer, kan partiklarna pinga av varandra som biljardbollar, sprida fotoner åt alla håll för att utstråla ljus och på så sätt göra molnet synligt. Men MIT-teamet observerade att när atomer underkyls och ultrapressas, slår Pauli-effekten in och partiklarna har effektivt mindre utrymme att sprida ljus. Fotonerna strömmar istället igenom, utan att spridas.

I sina experiment observerade fysikerna denna effekt i ett moln av litiumatomer. När de gjordes kallare och tätare, spred atomerna mindre ljus och blev gradvis svagare. Forskarna misstänker att om de kunde driva förhållandena ytterligare, till temperaturer på absolut noll, skulle molnet bli helt osynligt.

Teamets resultat, rapporterade i Science , representerar den första observationen av Pauli blockering effekt på ljusspridning av atomer. Denna effekt förutspåddes för 30 år sedan men har inte observerats förrän nu.

"Pauli-blockering i allmänhet har bevisats och är helt avgörande för stabiliteten i världen omkring oss", säger Wolfgang Ketterle, John D. Arthur-professorn i fysik vid MIT. "Vad vi har observerat är en mycket speciell och enkel form av Pauli-blockering, vilket är att den förhindrar en atom från vad alla atomer naturligt skulle göra:sprida ljus. Detta är den första tydliga observationen att denna effekt existerar, och det visar en nytt fenomen inom fysiken."

Ketterles medförfattare är huvudförfattare och tidigare MIT postdoc Yair Margalit, doktorand Yukun Lu och Furkan Top Ph.D. '20. Teamet är knutet till MIT Physics Department, MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms och MIT:s Research Laboratory of Electronics (RLE).

En lätt spark

När Ketterle kom till MIT som postdoktor för 30 år sedan, gjorde hans mentor, David Pritchard, professorn i fysik från Cecil och Ida Green, en förutsägelse att Pauli-blockering skulle undertrycka hur vissa atomer som kallas fermioner sprider ljus.

Hans idé, i stort sett, var att om atomer frystes till nästan stillastående och pressades in i ett tillräckligt snävt utrymme, skulle atomerna bete sig som elektroner i packade energiskal, utan utrymme att ändra sin hastighet eller position. Om fotoner av ljus skulle strömma in skulle de inte kunna spridas och lysa upp atomerna.

"En atom kan bara sprida en foton om den kan absorbera kraften från sin spark, genom att flytta till en annan stol", förklarar Ketterle och åberopar arenasätesanalogin. "Om alla andra stolar är upptagna har den inte längre förmågan att absorbera sparken och sprida fotonen. Så atomen blir transparent."

"Det här fenomenet hade aldrig observerats tidigare, eftersom människor inte kunde generera moln som var tillräckligt kalla och täta", tillägger Ketterle.

"Kontrollera atomvärlden"

Under de senaste åren har fysiker inklusive de i Ketterles grupp utvecklat magnetiska och laserbaserade tekniker för att få ner atomer till ultrakalla temperaturer. Den begränsande faktorn, säger han, var tätheten.

"Om densiteten inte är tillräckligt hög kan en atom fortfarande sprida ljus genom att hoppa över några stolar tills den hittar lite utrymme", säger Ketterle. "Det var flaskhalsen."

I sin nya studie använde han och hans kollegor tekniker som de utvecklat tidigare för att först frysa ett moln av fermioner - i det här fallet en speciell isotop av litiumatom, som har tre elektroner, tre protoner och tre neutroner. De frös ett moln av litiumatomer ner till 20 mikrokelvin, vilket är ungefär 1/100 000 temperaturen i det interstellära rymden.

"Vi använde sedan en hårt fokuserad laser för att klämma de ultrakalla atomerna för att registrera densiteter, som nådde ungefär en kvadriljon atomer per kubikcentimeter," förklarar Lu.

Forskarna lyste sedan in en annan laserstråle i molnet, som de noggrant kalibrerade så att dess fotoner inte skulle värma upp de ultrakalla atomerna eller ändra deras densitet när ljuset passerade igenom. Slutligen använde de en lins och en kamera för att fånga och räkna fotoner som lyckades spridas.

"Vi räknar faktiskt några hundra fotoner, vilket är verkligen fantastiskt," säger Margalit. "En foton är en så liten mängd ljus, men vår utrustning är så känslig att vi kan se dem som en liten ljusklump på kameran."

Vid gradvis kallare temperaturer och högre densiteter spred atomerna mindre och mindre ljus, precis som Pritchards teori förutspådde. När de är som kallaste, runt 20 mikrokelvin, var atomerna 38 procent svagare, vilket innebär att de spred 38 procent mindre ljus än mindre kalla, mindre täta atomer.

"Denna regim av ultrakalla och mycket täta moln har andra effekter som möjligen kan lura oss", säger Margalit. "Så vi tillbringade några bra månader med att sålla igenom och lägga dessa effekter åt sidan för att få den tydligaste mätningen."

Nu när teamet har observerat att Pauli-blockering verkligen kan påverka en atoms förmåga att sprida ljus, säger Ketterle att denna grundläggande kunskap kan användas för att utveckla ljusdämpande material, till exempel för att bevara data i kvantdatorer.

"När vi kontrollerar kvantvärlden, som i kvantdatorer, är ljusspridning ett problem och betyder att information läcker ut ur din kvantdator", funderar han. "Detta är ett sätt att undertrycka ljusspridning, och vi bidrar till det allmänna temat att kontrollera atomvärlden."

Relaterat arbete av ett team från University of Colorado visas i samma nummer av Science .