Les physiciens du MIT utilisent des propriétés atomiques de base pour rendre la matière invisible

Une nouvelle étude confirme que la diffusion de la lumière est supprimée lorsque les atomes sont refroidis et pressés à un point culminant. Crédit : Christine Daniloff, MIT

Ultracolt, comment les atomes supraconducteurs deviennent invisibles

Une nouvelle étude confirme que la diffusion de la lumière est supprimée lorsque les atomes sont refroidis et pressés à un point culminant.

UNE AtomeDans les électrons sont disposés en plaques d’énergie. Comme ceux qui jouent dans une arène, si chaque électron occupe une chaise et que toutes ses chaises sont occupées, il ne pourra pas descendre. Cette caractéristique fondamentale de la physique atomique s’appelle le principe de polyexclusion, et elle explique la structure en coque des atomes, la diversité de la chronologie des éléments et la stabilité de l’univers matériel.

Maintenant, Avec Les physiciens ont observé une toute nouvelle méthode de polyexclusion ou de polyblocage : ils ont découvert comment le nuage d’atomes diffuse la lumière et peut supprimer son effet.

En général, lorsque des photons de lumière pénètrent dans un nuage d’atomes, les photons et les atomes peuvent s’entrechoquer comme des boules de billard, diffusant la lumière dans toutes les directions, rendant ainsi le nuage visible. Cependant, lorsque les atomes du groupe MIT sont surfondus et ultrasonores, l’effet poly se déclenche et les particules ont moins d’espace pour diffuser la lumière. Au lieu de cela, les photons circulent sans diffusion.

Le poly-blogging peut s’expliquer par l’analogie des personnes qui remplissent des sièges dans une arène. Chaque personne représente un atome et chaque siège représente un état quantique. À haute température (a), les atomes sont placés de manière aléatoire afin que chaque particule puisse diffuser la lumière. A basse température (b), les atomes se combinent. Seuls ceux qui ont plus d’espace près du bord peuvent diffuser la lumière. Remerciements : avec l’aimable autorisation des chercheurs

Dans leurs expériences, les physiciens ont vu cet effet dans le nuage d’atomes de lithium. Au fur et à mesure qu’ils devenaient plus froids et plus denses, les atomes dispersaient moins de lumière et se fanaient progressivement. Les chercheurs sont sceptiques quant à l’amélioration des conditions Zéro absolu, Le nuage devient complètement invisible.

Les résultats de l’équipe ont été annoncés aujourd’hui Science, Fait référence à la première observation de l’effet de la poly inhibition sur la diffusion de la lumière par les atomes. Cet effet a été prédit il y a 30 ans mais n’a pas été remarqué jusqu’à maintenant.

« Le polyblogging en général a fait ses preuves et il est absolument essentiel à la stabilité du monde qui nous entoure », a déclaré John D. Snyder, professeur de physique au MIT. Arthur. « Ce que nous avons observé est une forme spéciale et simple de poly inhibition, qui empêche un atome d’agir naturellement sur tous les atomes : la diffusion de la lumière. C’est la première observation claire que cet effet existe, et il montre un nouveau phénomène en physique.

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

Un coup de pied léger

Lorsque Getterley est devenu postdock pour le MIT il y a 30 ans, son mentor, David Pritchard, professeur de physique à Cecil et Ida Green, a prédit que le polyblogging supprimerait la diffusion de la lumière par certains atomes appelés fermions.

Son point de vue est que, lorsqu’ils sont longuement parlés, les atomes gèlent et, lorsqu’ils sont suffisamment pressés, agissent comme des électrons dans une enveloppe d’énergie remplie d’atomes, ne laissant aucune place pour changer leur vitesse ou leur position. Si des photons de lumière entrent, ils ne peuvent pas se disperser.

L’étudiant diplômé Yu-Kun Lu ajuste l’optique pour observer la diffusion de la lumière des nuages ​​atomiques ultra-or. Remerciements : avec l’aimable autorisation des chercheurs

« Un atome ne peut diffuser un photon qu’en le déplaçant vers une autre chaise et en absorbant la force de son coup de pied », explique Ketterley, évoquant l’analogie d’être assis sur la scène. « Si toutes les autres chaises étaient occupées, il ne serait pas en mesure d’absorber le pied et de diffuser le photon. Par conséquent, les atomes sont transparents.

« Ce phénomène n’avait pas été remarqué auparavant car les gens ne pouvaient pas former suffisamment de nuages ​​​​froids et denses », ajoute Ketterl.

« Contrôler le monde nucléaire »

Ces dernières années, des physiciens, y compris ceux du groupe Ketterlin, ont développé des techniques magnétiques et laser pour amener les atomes à des températures ultra-or. Le facteur de contrôle, dit-il, est la densité.

« Si la densité n’est pas suffisante, un atome dispersera la lumière en sautant sur quelques chaises jusqu’à ce qu’il trouve de la place », explique Ketterl. « C’était l’obstacle. »

Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont d’abord gelé un nuage de fermions en utilisant des techniques développées précédemment – dans ce cas, un isotope spécial d’un atome de lithium composé de trois électrons, trois protons et trois neutrons. Ils ont gelé un nuage d’atomes de lithium jusqu’à 20 microkelvins, soit 1/100 000 à la température de la galaxie.

« Ensuite, nous avons utilisé un laser étroitement focalisé pour compresser les atomes ultracolt afin d’enregistrer la densité, qui a atteint un quadrillion d’atomes par centimètre cube », explique Lu.

Les chercheurs ont ensuite illuminé un autre faisceau laser dans le nuage, qu’ils ont soigneusement mesuré afin que ses photons ne chauffent pas les atomes d’ultra-or ou ne modifient leur densité lorsque la lumière les traverse. Enfin, ils ont utilisé un objectif et un appareil photo pour capturer et compter les photons diffusés.

« Nous comptons en fait quelques centaines de photons, ce qui est assez incroyable », déclare Margaret. « Les photons sont une petite quantité de lumière, mais notre équipement est très sensible et peut les voir comme de minuscules bulles de lumière dans l’appareil photo. »

À des températures progressivement plus froides et à des densités plus élevées, les atomes diffusent de moins en moins de lumière, comme le prédit la théorie de Pritchard. Lors de leur refroidissement, à environ 20 microkelvins, les atomes étaient 38 pour cent plus faibles, ce qui signifie qu’ils diffusaient 38 pour cent moins de lumière que les atomes plus froids et moins denses.

« Ce régime de nuages ​​ultrafroids et très denses a d’autres effets qui peuvent nous tromper », explique Margaret. « Donc, pour obtenir une mesure claire, nous avons passé quelques bons mois à séparer ces effets. »

Maintenant que l’équipe a observé que le polyblogging affecte la capacité de diffusion de la lumière d’un atome, cette connaissance de base peut être utilisée pour créer des objets avec une diffusion de la lumière réprimée, par exemple dans les ordinateurs quantiques pour protéger les données.

« Comme les ordinateurs quantiques, la diffusion de la lumière est un problème chaque fois que nous contrôlons le monde quantique, et cela signifie que des informations fuient de votre ordinateur quantique », dit-il. « C’est un moyen de supprimer la diffusion de la lumière, et nous contribuons au thème commun du contrôle du monde nucléaire. »

Note : Yair Margalit, Yu-Kun Lu, Furkan agri Top et Wolfgang Ketterle, 18 novembre 2021, « Bowl blocking light scattering in degenerate fermions » Science.
DOI : 10.1126 / science.abi6153

La recherche a été financée par la National Science Foundation et le ministère de la Défense. Les travaux correspondants des équipes de l’Université du Colorado et de l’Université d’Otago sont publiés dans la même revue Science.