“泡利阻断”效应被成功演示。
用于检测气体透明度的蓝色激光实验装置。Christian Sanner / Ye实验室 / JILA
物理学家在某种程度上是魔法师，尤其是量子物理学家。11月18日《科学》杂志上发表了一项研究结果，称麻省理工学院的科学家用激光把一团锂原子气体冷却压缩到了特殊状态，在这种状态下，这团气体对光子的散射作用显著降低——也就是说，它开始变透明了。
研究人员称，假如我们能够持续冷却，把气体的温度降低到无限接近绝对零度，这团气体就会从我们眼前彻底“消失”。
这个变魔法般的实验，实际上是利用了量子力学中的所谓“泡利阻断”效应。这是物理学家首次用实验对“泡利阻断”效应进行演示，并证明这种效应的存在。
“泡利阻断”出自著名的“泡利不相容原理”。1925年奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利断言，在费米子——比如质子、中子和电子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。
“泡利不相容原理”是各种元素，乃至物质世界得以存在的重要原因。若非如此，所有原子都会坍缩在一起，并释放出巨大的能量；我们也会坠入地心。
对于气态物质，“泡利不相容原理”同样适用。但是气态物质粒子的自由度更大。进入气态物质的光会与粒子相互作用，光的动能会被吸收，光的能量级会被降低，光子会被散射。只要有光子被散射，我们就能看见这团气体。
但是气态物质的温度一旦降低，粒子就会失去能量，进入低能量态，并形成所谓的“费米海”。这时候的粒子无法再跃入高能量级，也无法落入低能量级。它们就像音乐会上的观众一样，各就其位，不能随意走动。
因为无法进入不同的能量级，这些粒子也就无法再与光子发生相互作用，无法碰撞，无法吸收能量，也无法散射。进入处于“泡利阻断”态物质的光子因此可以径直穿过物质。
但是要让一团气体进入“泡利阻断”状态十分不易，不但需要极端低温，还需要超高密度。
研究人员首先用激光限制原子的运动，使之降速、降温到接近绝对零度；然后用激光把这团气体的密度提高到每立方厘米10¹⁵个原子。
最后，研究人员在不影响气体温度和密度的前提下，对其光子散射能力进行评估。他们使用超灵敏相机对被散射的光子进行计数。最终发现，这些气体的光子散射能力，比常温下低了38%。
总共有三个团队分别独立完成了类似实验。另外两个团队使用的气体分别由钾和锶组成。
但是与一般人猛一看就会联想到的“隐身术”不同，“泡利阻断”目前最有希望被应用的领域其实是量子计算。量子计算机对数据进行处理的媒介是光，而利用“泡利阻断”效应，可以制造出抑光材料，防止信息因“退相干”效应而丢失。
参考
How ultracold, superdense atoms become invisible
https://www.eurekalert.org/news-releases/935119
联系客服
