Logo
Cover

Физикам из MIT впервые удалось провести необычный квантовый эксперимент, результаты которого были предсказаны более 30 лет назад, — если облако газа сделать достаточно холодным и плотным, оно станет невидимым, так как перестанет отражать или поглощать фотоны. Процесс так называемой блокировки Паули был успешно подтвержден в научном эксперименте. Использовать этот эффект для превращения в невидимые любых предметов не получится — он проявляется при температуре, близкой к абсолютному нулю. Но метод может быть применим для предотвращения потери информации в квантовых компьютерах.

«Мы наблюдали очень специфическую и простую форму блокировки Паули, когда атому запрещают делать то, что атомы делают обычно: рассеивать свет, — сказал профессор Вольфганг Кеттерле, старший автор исследования. — Это первое четкое наблюдение этого эффекта, и оно демонстрирует новый феномен в физике».

Блокировка Паули выводится из принципа запрета Вольфганга Паули, сформулированного австрийским физиком в 1925 году. Он постулировал, что так называемые фермионные частицы — протоны, нейтроны и электроны — с одинаковым квантовым состоянием не могут существовать в том же пространстве, пишет Life Science.

Поскольку на квантовом уровне имеется конечное количество состояний, принцип заставляет электроны в атомах объединяться в оболочки с более высоким уровнем энергии, которые вращаются по более далеким орбитам вокруг атомного ядра. Кроме того, из-за него электроны разных атомов держатся друг от друга подальше.

Этот принцип создает не только обилие элементов периодической таблицы, но и не дает нам провалиться сквозь землю в центр планеты, так как создает структуру материи.

Принцип запрета распространяется и на газы. Обычно у атомов в газовых облаках достаточно свободного пространства, но если их охладить, они начинают терять энергию, занимают самые низкие из доступных состояний. В итоге частицы не могут изменить энергетическое состояние ни на более низкое, ни на более высокое. Они так плотно сбиты в кучу, что больше не могут взаимодействовать со светом — он просто проходит сквозь них.

Для того чтобы выполнить такой сложный трюк, ученые настроили фотоны в лазерном луче так, что они сталкиваются только с атомами, движущимися в противоположном с ними направлении. Они заморозили облако лития до 20 мкК, то есть чуть выше абсолютного нуля. Затем задействовали второй, сфокусированный лазер для сжатия атомов до рекордной плотности примерно 1 квадрильона атомов на кубический сантиметр.

Третий лазер определил, насколько невидимым стали атомы. Как и предполагала теория, ученые добились снижения рассеяния на 38%, чем при комнатной температуре.

Две других команды физиков независимо друг от друга показали схожие результаты на примерах газов калия и стронция.

Теперь, когда блокировка Паули достигнута экспериментально, можно приступать к созданию материалов, действующих как плащ-невидимка в определенной физической среде. Они станут особенно полезными для предотвращения квантовой декогерентности — досадной потери квантовой информации в ходе вычислений.

Недавно команда ученых из США и Швеции сообщила о первом непосредственном наблюдении квантового поведения атомов водорода в молекулах воды в возбужденном состоянии. Результаты их исследования помогут физикам раскрыть происхождение странных свойств воды и понять, как вода способствует функции белков в живых организмах.