Les physiciens du MIT utilisent la propriété atomique fondamentale pour transformer la matière en invisible

Comment les atomes ultra-denses et ultra-froids deviennent invisibles

Une nouvelle étude confirme que lorsque les atomes sont refroidis et compressés à l’extrême, leur capacité à diffuser la lumière est supprimée.

cette atomeLes électrons sont disposés dans des coquilles d’énergie. Comme les spectateurs dans une arène, chaque électron occupe une chaise et ne peut descendre à un niveau inférieur si toutes ses chaises sont occupées. Cette propriété fondamentale de la physique atomique est connue sous le nom de principe d’exclusion de Pauli, et elle explique la structure des enveloppes des atomes, la diversité du tableau périodique des éléments et la stabilité de l’univers physique.

actuellement, Avec Les physiciens ont observé le principe d’exclusion de Pauli, ou exclusion de Pauli, d’une manière entièrement nouvelle : ils découvrent que l’effet peut bloquer la façon dont un nuage d’atomes diffuse la lumière.

Normalement, lorsque des photons de lumière pénètrent dans un nuage d’atomes, les photons et les atomes peuvent se disperser comme des boules de billard, diffusant la lumière dans toutes les directions pour rayonner la lumière, rendant ainsi le nuage visible. Cependant, l’équipe du MIT a noté que lorsque les atomes sont surfondus et ultra-pressés, l’effet Pauli se déclenche et les particules ont moins de place pour diffuser la lumière. Au lieu de cela, les photons le traversent sans être dispersés.

Le principe d’interdiction de Pauli peut être illustré par une analogie avec les personnes qui occupent les sièges de la place. Chaque personne représente un atome, tandis que chaque siège représente un état quantique. À des températures plus élevées (a), les atomes sont placés de manière aléatoire, de sorte que chaque particule peut diffuser la lumière. À des températures plus basses (b), les atomes s’agglutinent. Seuls ceux qui ont plus d’espace près du bord peuvent diffuser la lumière. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Les physiciens dans leurs expériences ont observé cet effet dans un nuage d’atomes de lithium. Au fur et à mesure qu’il devenait plus froid et plus dense, les atomes diffusaient moins de lumière et devenaient progressivement plus opaques. Les chercheurs pensent que s’ils peuvent pousser les conditions plus loin, à des températures allant jusqu’à zéro absolu, le nuage deviendra complètement invisible.

Les résultats de l’équipe ont été communiqués aujourd’hui à Science, représente la première observation de l’effet de blocage de Pauli sur la diffusion de la lumière par les atomes. Cet effet a été prédit il y a 30 ans mais n’a pas été observé jusqu’à présent.

Wolfgang Ketterle, professeur de physique à la John D. « Ce que nous avons observé est une forme très spéciale et simple de blocage de Pauli, c’est-à-dire qu’il bloque l’atome de ce que tous les atomes font naturellement : la diffusion de la lumière. C’est la première observation claire de l’existence de cet effet, et cela montre un nouveau phénomène en physique.

Les co-auteurs de Ketterle sont l’auteur principal et ancien chercheur postdoctoral du MIT Yair Margalit, l’étudiant diplômé Yu-kun Lu et Furkan Top PhD ’20. L’équipe appartient au département de physique du MIT, au Harvard Center for Ultracold Atoms du MIT et au Research Electronics Laboratory (RLE) du MIT.

coup de pied léger

Lorsque Ketterle est arrivé au MIT en tant que postdoctorant il y a 30 ans, son mentor David Pritchard, Cecil et Ida Green, professeur de physique à Ida Green, ont prédit que le blocage de Pauli atténuerait la façon dont certains atomes appelés fermions diffusent la lumière.

Son idée, en général, était que si les atomes étaient gelés jusqu’à un arrêt presque complet et compressés dans un espace suffisamment étroit, les atomes se comporteraient comme des électrons dans des coquilles d’énergie emballées, sans possibilité de changer leur vitesse ou leur position. Si des photons de lumière devaient circuler, ils ne pourraient pas se disperser.

Yu-Kun Lu, un étudiant diplômé, aligne l’optique pour observer la diffusion de la lumière à partir de nuages ​​d’atomes ultra-froids. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

« Un atome ne peut diffuser un photon que s’il peut absorber la force de son coup de pied, en se déplaçant vers une autre chaise », explique Ketterle, citant l’analogie de s’asseoir dans un anneau. « Si toutes les autres chaises sont occupées, elles n’auront pas la capacité d’absorber le coup de pied et de disperser le photon. Par conséquent, les atomes deviennent transparents. »

« Ce phénomène n’a pas été observé auparavant, car les gens n’ont pas été capables de former des nuages ​​​​suffisamment froids et denses », ajoute Ketterle.

« Domination du monde atomique »

Ces dernières années, des physiciens, dont ceux du groupe de Ketterle, ont développé des techniques magnétiques à base de laser pour abaisser les atomes à des températures extrêmement froides. Il dit que le facteur limitant était la densité.

« Si la densité n’est pas assez élevée, l’atome peut toujours disperser la lumière en sautant par-dessus quelques sièges jusqu’à ce qu’il trouve de l’espace », explique Ketterle. « C’était le goulot d’étranglement. »

Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont utilisé des techniques précédemment développées pour geler d’abord un nuage de fermions – dans ce cas, un isotope spécial de l’atome de lithium, qui possède trois électrons, trois protons et trois neutrons. Ils gèlent un nuage d’atomes de lithium jusqu’à 20 microkelvins, soit environ 1/10 000 de la température de l’espace interstellaire.

« Nous avons ensuite utilisé un laser hautement focalisé pour compresser les atomes ultra-froids afin d’enregistrer des densités d’environ un quadrillion d’atomes par centimètre cube », explique Lu.

Les chercheurs ont ensuite projeté un autre faisceau laser dans le nuage, le calibrant soigneusement afin que ses photons ne chauffent pas les atomes très froids ou ne modifient pas leur intensité lorsque la lumière les traverse. Enfin, ils ont utilisé un objectif et un appareil photo pour capturer et compter les photons qui ont réussi à se disperser.

« Nous comptons en fait quelques centaines de photons, ce qui est vraiment incroyable », déclare Margalit. « Un photon est une infime quantité de lumière, mais nos appareils sont si sensibles que nous pouvons le voir comme un petit point de lumière sur un appareil photo. »

À des températures de plus en plus basses et à des intensités plus élevées, les atomes diffusent de moins en moins de lumière, comme le prévoyait la théorie de Pritchard. À leur plus froid, à environ 20 microkelvins, les atomes étaient 38 % plus faibles, ce qui signifie qu’ils diffusent 38 % moins de lumière que les atomes plus froids et moins intenses.

« Ce système de nuages ​​très froids et très denses a d’autres effets qui peuvent nous tromper », explique Margalit. « Nous avons donc passé quelques bons mois à passer au crible ces effets et à les mettre de côté, pour obtenir la mesure la plus claire. »

Maintenant que l’équipe a observé que le blocage de Pauli peut réellement affecter la capacité de l’atome à diffuser la lumière, Ketterle dit que ces connaissances de base peuvent être utilisées pour développer des matériaux avec une diffusion de la lumière supprimée, par exemple pour préserver les données dans les ordinateurs quantiques.

« Lorsque nous contrôlons le monde quantique, comme dans les ordinateurs quantiques, la diffusion de la lumière est un problème, et cela signifie que des informations s’échappent de votre ordinateur quantique », réfléchit-il. « C’est un moyen de supprimer la diffusion de la lumière, et nous contribuons à l’idée générale de contrôler le monde atomique. »

Référence : « Pauli bloquant la diffusion de la lumière dans les fermions dégénérés » Par Yair Margalit, Yu-Kun Lo, Furkan Shagri-top et Wolfgang Ketterle, 18 novembre 2021, disponible ici. Science.
DOI : 10.1126 / science.abi6153

Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation et le ministère de la Défense. Des travaux connexes menés par des équipes de l’Université du Colorado et de l’Université d’Otago figurent dans le même numéro de Science.