从费米原子集合中散射出来的光子被收集到相机上。当整体温度降低时，由原子散射的光子就会减少。来源:尼尔斯Kjærgaard
原子的电子排列在能层中。就像在舞台上观看音乐会的观众一样，每个电子只占据一张椅子，如果所有的椅子都被占据了，它就不会下降到更低的一层。原子物理的这个基本性质被称为泡利不相容原理，它解释了原子的壳结构，元素周期表的多样性，以及物质宇宙的稳定性。
现在，麻省理工学院的物理学家们以一种全新的方式观察了泡利不相容原理，即泡利阻挡原理:他们发现这种效应可以抑制原子云散射光的方式。
正常情况下，当光子穿透原子云时，粒子可以像台球一样相互碰撞，向各个方向散射光子，辐射光，从而使云可见。然而，麻省理工学院的研究小组观察到，当原子被过冷和超挤压时，泡利效应开始发挥作用，粒子有效地散射光线的空间减少。光子反而穿过，没有被散射。
在他们的实验中，物理学家们在锂原子云中观察到了这种效应。当它们变得更冷、密度更大时，原子散射的光更少，并逐渐变暗。研究人员怀疑，如果他们能进一步将条件推到绝对零度，云团将完全看不见。
该团队的研究结果发表在《科学》杂志上，首次观测到泡利阻挡原子对光散射的影响。这种效应在30年前就被预测到了，但直到现在才被观测到。
麻省理工学院物理学约翰·d·阿瑟教授沃尔夫冈·凯特勒说:“泡利阻塞在一般情况下已经被证实，它对于我们周围世界的稳定是绝对必要的。”“我们观察到的是一种非常特殊和简单的泡利阻挡形式，它阻止了一个原子做所有原子自然会做的事情:散射光。这是第一次清楚地观察到这种效应的存在，它显示了物理学中的一种新现象。”
Ketterle的合著者是第一作者，前麻省理工学院博士后Yair Margalit，研究生Yukun Lu和Furkan Top博士。“20。该团队隶属于麻省理工学院物理系、麻省理工-哈佛超冷原子中心和麻省理工学院电子学研究实验室(RLE)。
光踢
30年前，当凯特勒来到麻省理工学院做博士后时，他的导师、塞西尔和艾达格林物理学教授戴维·普里查德(David Pritchard)预测泡利阻挡将抑制某些被称为费米子的原子散射光的方式。
广义地说，他的想法是，如果原子被冻结到近乎静止的状态，并被压缩到足够狭窄的空间中，那么原子的行为就会像电子在堆积的能量层中一样，没有空间来移动它们的速度或位置。如果光子流进来，它们将无法散射并照亮原子。
“只有当一个原子移动到另一把椅子上，吸收了它踢出的力，它才能散射光子，”Ketterle解释说，他援引了竞技场座位的比喻。“如果其他椅子都被占用了，它就不再有能力吸收踢和散射光子。因此，原子变得透明。”
“这种现象以前从未被观察到过，因为人们无法产生足够冷和密度的云，”Ketterle补充道。
'控制原子世界'
近年来，包括Ketterle小组成员在内的物理学家已经开发了基于磁性和激光的技术来将原子降至超低温。他说，限制因素是密度。
“如果密度不够高，一个原子仍然可以通过跳过几张椅子来散射光，直到找到一些空间，”Ketterle说。“这就是瓶颈所在。”
在他们的新研究中，他和他的同事们使用了他们之前开发的技术，首先冻结了费米子云——在这种情况下，费米子云是锂原子的一种特殊同位素，它有三个电子、三个质子和三个中子。他们将锂原子云冻结到20微开尔文，这大约是星际空间温度的十万分之一。
卢解释说:“然后，我们使用紧密聚焦的激光挤压超冷原子以记录密度，密度达到每立方厘米约一千万亿原子。”
然后，研究人员向云中发射了另一束激光，他们仔细校准了这束激光，使其光子不会在光线穿过时加热超冷原子或改变它们的密度。最后，他们用镜头和相机捕捉和计算散射的光子。
“我们实际上数了几百个光子，这真的很神奇，”玛格丽特说。“光子是如此之少的光，但我们的设备非常敏感，我们可以看到它们在摄像机上的一个小光点。”
随着温度越来越低，密度越来越高，原子散射的光越来越少，正如普里查德的理论所预测的那样。在它们最冷的时候，大约20微开尔文，原子的亮度变暗了38%，这意味着它们散射的光比不冷、密度不高的原子少38%。
“这种超冷和非常密集的云层还有其他可能欺骗我们的影响，”玛格丽特说。“所以，我们花了几个月的时间筛选这些影响，并把它们放在一边，以获得最清晰的测量结果。”
现在，研究小组已经观察到泡利阻挡确实可以影响原子散射光的能力，Ketterle说，这一基本知识可能被用于开发光抑制材料，例如在量子计算机中保存数据。
“每当我们控制量子世界时，比如在量子计算机中，光散射就是一个问题，这意味着信息会从你的量子计算机中泄露出来，”他沉思道。“这是抑制光散射的一种方法，我们正在为控制原子世界的普遍主题做出贡献。”
来自科罗拉多大学的一个团队的相关研究发表在同一期的《科学》杂志上。
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