De elektronen van een atoom zijn gerangschikt in energieschillen. Net als concertbezoekers in een arena bezet elk elektron een enkele stoel en kan het niet naar een lager niveau zakken als alle stoelen bezet zijn. Deze fundamentele eigenschap van de atoomfysica staat bekend als het Pauli-uitsluitingsprincipe en verklaart de schilstructuur van atomen, de diversiteit van het periodiek systeem der elementen en de stabiliteit van het materiële universum.

Nu hebben MIT-natuurkundigen het Pauli-uitsluitingsprincipe, of Pauli-blokkering, op een geheel nieuwe manier waargenomen:ze hebben ontdekt dat het effect kan onderdrukken hoe een wolk van atomen licht verstrooit.

Normaal gesproken, wanneer lichtfotonen een wolk van atomen binnendringen, kunnen de deeltjes als biljartballen van elkaar afstoten, waarbij ze fotonen in alle richtingen verspreiden om licht uit te stralen, en zo de wolk zichtbaar maken. Het MIT-team merkte echter op dat wanneer atomen worden onderkoeld en ultrasqueezed, het Pauli-effect optreedt en de deeltjes in feite minder ruimte hebben om licht te verstrooien. In plaats daarvan stromen de fotonen er doorheen, zonder verstrooid te worden.

In hun experimenten zagen de natuurkundigen dit effect in een wolk van lithiumatomen. Naarmate ze kouder en dichter werden gemaakt, verspreidden de atomen minder licht en werden ze geleidelijk zwakker. De onderzoekers vermoeden dat als ze de omstandigheden verder zouden kunnen pushen, tot temperaturen van het absolute nulpunt, de wolk volledig onzichtbaar zou worden.

De resultaten van het team, gerapporteerd in Science , vertegenwoordigen de eerste waarneming van het effect van Pauli-blokkering op lichtverstrooiing door atomen. Dit effect werd 30 jaar geleden voorspeld, maar tot nu toe niet waargenomen.

"Pauli-blokkering in het algemeen is bewezen en is absoluut essentieel voor de stabiliteit van de wereld om ons heen", zegt Wolfgang Ketterle, de John D. Arthur Professor of Physics aan het MIT. "Wat we hebben waargenomen, is een heel speciale en eenvoudige vorm van Pauli-blokkering, namelijk dat het een atoom verhindert wat alle atomen van nature zouden doen:licht verstrooien. Dit is de eerste duidelijke waarneming dat dit effect bestaat, en het toont een nieuw fenomeen in de natuurkunde."

De co-auteurs van Ketterle zijn hoofdauteur en voormalig MIT-postdoc Yair Margalit, afgestudeerde student Yukun Lu en Furkan Top Ph.D. '20. Het team is verbonden aan de MIT Physics Department, het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms en MIT's Research Laboratory of Electronics (RLE).

Een lichte trap

Toen Ketterle 30 jaar geleden als postdoc naar MIT kwam, deed zijn mentor, David Pritchard, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde, een voorspelling dat Pauli-blokkering de manier zou onderdrukken waarop bepaalde atomen, bekend als fermionen, licht verstrooien.

Zijn idee was, in grote lijnen, dat als atomen bijna tot stilstand zouden worden bevroren en in een ruimte die klein genoeg was geperst, de atomen zich zouden gedragen als elektronen in opeengepakte energieschillen, zonder ruimte om hun snelheid of positie te veranderen. Als fotonen van licht naar binnen zouden stromen, zouden ze niet kunnen verstrooien en de atomen verlichten.

"Een atoom kan een foton alleen verstrooien als het de kracht van zijn schop kan absorberen, door naar een andere stoel te gaan", legt Ketterle uit, waarbij hij de analogie van de zitplaats in de arena aanhaalt. "Als alle andere stoelen bezet zijn, heeft het niet langer het vermogen om de kick te absorberen en het foton te verstrooien. Het atoom wordt dus transparant."

"Dit fenomeen was nog nooit eerder waargenomen, omdat mensen niet in staat waren om wolken te creëren die koud en dicht genoeg waren", voegt Ketterle toe.

'De atoomwereld beheersen'

In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen, waaronder die van Ketterle's groep, magnetische en lasergebaseerde technieken ontwikkeld om atomen tot ultrakoude temperaturen te brengen. De beperkende factor, zegt hij, was de dichtheid.

"Als de dichtheid niet hoog genoeg is, kan een atoom nog steeds licht verstrooien door over een paar stoelen te springen totdat het wat ruimte vindt", zegt Ketterle. "Dat was de bottleneck."

In hun nieuwe onderzoek gebruikten hij en zijn collega's technieken die ze eerder hadden ontwikkeld om eerst een wolk van fermionen te bevriezen - in dit geval een speciale isotoop van een lithiumatoom, die drie elektronen, drie protonen en drie neutronen heeft. Ze bevroor een wolk lithiumatomen tot 20 microkelvin, wat ongeveer 1/100.000 de temperatuur van de interstellaire ruimte is.

"Vervolgens gebruikten we een scherp gefocuste laser om de ultrakoude atomen samen te persen om dichtheden vast te leggen, die ongeveer een biljard atomen per kubieke centimeter bereikten", legt Lu uit.

De onderzoekers schenen vervolgens nog een laserstraal in de wolk, die ze zorgvuldig kalibreerden zodat de fotonen de ultrakoude atomen niet zouden opwarmen of hun dichtheid zouden veranderen als het licht erdoorheen viel. Ten slotte gebruikten ze een lens en camera om de fotonen vast te leggen en te tellen die erin slaagden zich te verspreiden.

"We tellen eigenlijk een paar honderd fotonen, wat echt geweldig is", zegt Margalit. "Een foton is zo weinig licht, maar onze apparatuur is zo gevoelig dat we ze kunnen zien als een kleine lichtvlek op de camera."

Bij steeds koudere temperaturen en hogere dichtheden verstrooiden de atomen steeds minder licht, precies zoals de theorie van Pritchard voorspelde. Op hun koudst, ongeveer 20 microkelvin, waren de atomen 38 procent zwakker, wat betekent dat ze 38 procent minder licht verspreidden dan minder koude, minder dichte atomen.

"Dit regime van ultrakoude en zeer dichte wolken heeft andere effecten die ons mogelijk kunnen misleiden", zegt Margalit. "Dus hebben we een paar goede maanden besteed aan het doorzoeken en opzij zetten van deze effecten, om de duidelijkste meting te krijgen."

Nu het team heeft waargenomen dat Pauli-blokkering inderdaad het vermogen van een atoom om licht te verstrooien kan beïnvloeden, zegt Ketterle dat deze fundamentele kennis kan worden gebruikt om lichtonderdrukkende materialen te ontwikkelen, bijvoorbeeld om gegevens in kwantumcomputers te bewaren.

"Telkens wanneer we de kwantumwereld beheersen, zoals in kwantumcomputers, is lichtverstrooiing een probleem, en betekent dat er informatie uit je kwantumcomputer lekt", mijmert hij. "Dit is een manier om lichtverstrooiing te onderdrukken en we dragen bij aan het algemene thema van het beheersen van de atomaire wereld."

Aanverwant werk van een team van de Universiteit van Colorado verschijnt in hetzelfde nummer van Science .