在超冷费米原子气体中首次发现泡利阻塞效应

三个独立的研究小组首次发现泡利不相容原理在超冷原子气体中的表现。这种现象被称为泡利阻塞,早在30年前就有人预测到了。当量子气体中的费米子原子无法跃迁到附近的量子态时,这种现象就会发生。

在三个实验中,泡利阻塞降低了原子散射光的能力,使气体更加透明。有一天,这种效应可能被用于改进基于超冷原子的技术,比如光学时钟和量子中继器。

自旋为半整数的粒子服从费米-狄拉克统计,这源于量子力学中的对称性考虑。这种粒子被称为费米子,它们遵循泡利著名的不相容原理,即费米子在一个系统中不能占据相同的量子态。

电子是费米子,泡利不相容原理解释了为什么一个原子中的单个电子轨道最多可以包含两个电子:一个自旋向上,另一个自旋向下。这给了元素周期表中不同原子的不同性质。泡利不相容原理也在半导体和绝缘体中起作用,在半导体和绝缘体中,电子无法对小电场的应用做出反应,因为这样做需要移动到另一个量子态。而在半导体和绝缘体中,大多数附近的状态都是满的。

许多原子是费米子,现在物理学家可以把一些费米原子气体冷却到足够低的温度,几乎所有低的量子态都被填充到所谓的费米能级。这种稠密的超冷系统被认为是简并的,原子的行为被认为与固体中的电子类似。

三个研究小组并没有利用一个外部场来让原子移动,而是向他们的简并费米气体发射光子。通常,当光线照射在原子气体上时,一些光子会从原子中散射出去,根据动量守恒,原子会反冲,从光子中获得动量。

然而,在原子的简并费米气体中,这种反冲往往需要一个过渡到附近的量子态,而另一个原子已经占据了该量子态。因此,散射不能发生,光子将继续通过气体。可以观察到的结果是,当气体冷却到开始简并的程度时,其透明度将增加。

一组科学家专注于光子从超冷气体锶-87原子散射的角度。他们发现通过这种方式,正向散射被抑制了,即光子的轨迹发生了仅微小的偏差,原子的反冲也很小。这与气体中的原子被泡利阻塞,无法向附近的量子态进行小跃迁是一致的。然而,涉及较大原子反冲的光子散射没有被抑制。这与原子能够在费米能级以上大跃迁到未占据状态是一致的。

与此同时,另一组科学家比较了钾-40费米子气体和铷-87气体的光学性质。铷的同位素遵循玻色-爱因斯坦统计,因此不受泡利阻塞的影响。当冷却到超冷温度时,钾-40气体的透明度增加,而铷-87气体的透明度没有增加。

第三组来自麻省理工学院,该团队将费米离子锂-6原子冷却到费米能级以下,并观察到透明度的增加。这个团队注意到,当他们增加照射在样本上的光线强度时,这种效果就消失了。他们说,这是光散射加热样品的结果。

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