Los electrones del átomo están dispuestos en capas de energía. Como los asistentes a un concierto en una arena, cada electrón ocupa una silla y no puede descender a un nivel inferior si todas sus sillas están ocupadas. Esta propiedad fundamental de la física atómica se conoce como el principio de exclusión de Pauli y explica la estructura de las envolturas de los átomos, la diversidad de la tabla periódica de los elementos y la estabilidad del universo físico.

Ahora, los físicos del MIT han observado el principio de exclusión de Pauli, o prohibición de Pauli, de una manera completamente nueva: han descubierto que el efecto puede amortiguar cómo una nube de átomos Luz dispersa.

Normalmente, cuando los fotones de luz penetran en una nube de átomos, las partículas pueden dispersarse entre sí como bolas de billar, dispersando los fotones en todas direcciones para irradiar la luz, haciendo así visible la nube. Sin embargo, el equipo del MIT notó que cuando los átomos están sobreenfriados y ultra-comprimidos, el efecto Pauli se activa y las partículas tienen menos espacio para dispersar la luz. En cambio, los fotones fluyen a través de él sin dispersarse.

Los físicos en sus experimentos observaron este efecto en una nube de átomos de litio. A medida que se enfriaba y se volvía más denso, los átomos dispersaban menos luz y gradualmente se volvían más opacos. Los investigadores creen que si pudieran empujar las condiciones aún más, a temperaturas de cero absoluto, la nube se volvería completamente invisible.

Los resultados del equipo se informan en Ciencias, representa la primera observación del efecto de bloqueo de Pauli sobre la dispersión de la luz por los átomos. Este efecto se predijo hace 30 años, pero no se ha observado hasta ahora.

Wolfgang Ketterle, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, dice John D. “Lo que hemos observado es una forma muy especial y simple de bloqueo de Pauli, que es que bloquea al átomo de lo que todos los átomos hacen naturalmente: dispersar la luz. Esta es la primera observación clara de que existe este efecto, y muestra un nuevo fenómeno en física.”

Los coautores de Ketterle son el autor principal y ex becario postdoctoral del MIT Yair Margalit, el estudiante de posgrado Yukon Lu y Ph. 20. El equipo pertenece al Departamento de Física del MIT, al Centro de Harvard para Átomos Ultrafríos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y al Laboratorio de Electrónica de Investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts (RLE).

patada ligera

Cuando Ketterle llegó al MIT como postdoctorado hace 30 años, su mentor David Pritchard, profesor de física en Cecil e Ida Green, predijo que el bloqueo de Pauli suprimiría la forma en que ciertos átomos dispersan la luz conocida como fermiones.

Su idea, en general, era que si los átomos se congelaban casi por completo y se comprimían en un espacio lo suficientemente estrecho, los átomos se comportarían como electrones en capas de energía empaquetadas, sin espacio para cambiar su velocidad o posición. Si los fotones de luz fluyeran, no podrían dispersar e iluminar los átomos.

“Un átomo solo puede dispersar Fotón Si puede absorber el poder de su patada, se moverá a otra silla ”, explica Ketterle, refiriéndose a la analogía de sentarse en un ring. Si todas las demás sillas están ocupadas, no podrán absorber la patada y desviar el futón. Por tanto, el átomo se vuelve transparente “.

“Este fenómeno no se había observado antes, porque las personas no han podido formar nubes lo suficientemente frías y densas”, agrega Ketterle.

“Dominación del mundo atómico”

En los últimos años, los físicos, incluidos los del grupo de Ketterle, han desarrollado técnicas magnéticas basadas en láser para reducir los átomos a temperaturas extremadamente frías. Dice que el factor limitante fue la densidad.

“Si la densidad no es lo suficientemente alta, el átomo aún puede dispersar la luz saltando sobre algunos asientos hasta que encuentre algo de espacio”, dice Ketterle. “Ese fue el cuello de botella”.

En su nuevo estudio, él y sus colegas utilizaron técnicas desarrolladas previamente para congelar primero una nube de fermiones, en este caso, un isótopo especial del átomo de litio, que tiene tres electrones, tres protones y tres neutrones. Congelan una nube de átomos de litio hasta 20 microkelvins, que es aproximadamente 1 / 10,000 la temperatura del espacio interestelar.

“Luego usamos un láser altamente enfocado para comprimir los átomos ultrafríos para registrar densidades de aproximadamente un cuatrillón de átomos por centímetro cúbico”, explica Lu.

Luego, los investigadores dirigieron otro rayo láser a la nube, calibrándola cuidadosamente para que sus fotones no se calienten. partículas frías O cambia su intensidad con el paso de la luz. Finalmente, utilizaron una lente y una cámara para capturar y contar los fotones que lograron dispersarse.

“De hecho, estamos contando unos pocos cientos de fotones, lo que es realmente sorprendente”, dice Margalit. “Un fotón es una pequeña cantidad de luz, pero nuestros dispositivos son tan sensibles que podemos verlo como un pequeño punto de luz en una cámara”.

A temperaturas progresivamente más bajas y una mayor intensidad, los átomos dispersan cada vez menos luz, tal como predijo la teoría de Pritchard. En su punto más frío, alrededor de 20 microkelvin, los átomos eran un 38 por ciento más débiles, lo que significa que dispersan un 38 por ciento menos de luz que los átomos más fríos y menos intensos.

“Este sistema es demasiado frío y demasiado denso nubes “Tiene otros efectos que pueden engañarnos”, dice Margalit. “Así que pasamos unos meses examinando estos efectos y dejándolos a un lado, para obtener la medición más clara”.

Ahora que el equipo ha observado que el bloqueo de Pauli en realidad puede afectar la capacidad del átomo para dispersar la luz, Ketterle dice que este conocimiento básico se puede utilizar para desarrollar materiales supresores de luz, por ejemplo, para preservar datos en computadoras cuánticas.

“Cuando controlamos el mundo cuántico, como en las computadoras cuánticas, la dispersión de la luz es un problema y significa que la información se está filtrando fuera de su computadora cuántica”, reflexiona. “Este es un método de supresión una luz dispersión, y contribuimos al tema general de la dominación del mundo atómico “.

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