Un efect cuantic ciudat, care a fost prezis cu zeci de ani în urmă, a fost în sfârşit demonstrat - dacă un nor de gaz devine suficient de rece şi de dens, poate fi invizibil.
Oamenii de ştiinţă de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT) au folosit lasere pentru a răci litiul gazos la densităţi şi temperaturi suficient de scăzute încât să împrăştie mai puţină lumină. Dacă pot răci gazul şi mai mult, aproape de zero absolut (minus 273,15 grade Celsius), va deveni complet invizibil.
Efectul bizar este primul exemplu specific de proces mecanic cuantic numit „Blocarea Pauli”.
„Ceea ce am observat este o formă foarte simplă de blocare Pauli care împiedică un atom de a face ceea ce toţi atomii ar face în mod natural: împrăştie lumina”, a spus autorul principal al studiului, Wolfgang Ketterle, profesor de fizică la MIT. „Aceasta este prima observaţie clară că acest efect există dezvăluind un nou domeniu în fizică”.
Noua tehnică ar putea fi folosită pentru a dezvolta materiale care suprimă lumina pentru a preveni pierderea de informaţii în computerele cuantice.
Blocarea Pauli provine dintr-un principiul formulat pentru prima dată de renumitul fizician austriac Wolfgang Pauli în 1925. Pauli a postulat că toate aşa-numitele particule de fermion - cum ar fi protonii, neutronii şi electronii - cu o stare cuantică similar, nu pot exista în acelaşi spaţiu.
Deoarece la nivelul cuantic există doar un număr finit de stări de energie, acest lucru forţează electronii din atomi să se stivuească în niveluri de energie mai înalte care orbitează din ce în ce mai departe în jurul nucleelor atomice. De asemenea, menţine electronii atomilor separaţi unul de celălalt, deoarece, conform unei lucrări din 1967, scrisă de renumitul fizician Freeman Dyson, fără principiul excluderii, toţi atomii s-ar prăbuşi împreună, apoi ar erupe într-o eliberare enormă de energie.
Aceste rezultate nu numai că produc o variaţie uimitoare a elementelor tabelului periodic, dar împiedică şi picioarele noastre, atunci când stau pe sol, să cadă prin pământ, prăbuşindu-se spre centrul Pământului.
Dacă răceşti mult un gaz apare şi o altă poveste. Acum atomii pierd energie, umplând toate stările cele mai joase disponibile şi formând un tip de materie numit mare Fermi. Particulele sunt acum blocate una de cealaltă, incapabile să urce la niveluri de energie mai înalte sau să coboare la cele mai joase.
În acest moment, ei sunt stivuiţi în cochilii, precum cei aşezaţi la concert într-o arenă epuizată şi nu au unde să meargă dacă sunt loviţi, au explicat cercetătorii. Sunt atât de împachetate, încât particulele nu mai sunt capabile să interacţioneze cu lumina.
Dar este foarte dificil să aduci un nor atomic în această stare. Nu numai că are nevoie de temperaturi incredibil de scăzute, dar necesită şi comprimarea atomilor pentru a înregistra densităţi enorme. A fost o sarcină delicată, aşa că, după ce şi-au prins gazul într-o capcană atomică, cercetătorii l-au bombardat cu laser.
În acest caz, cercetătorii au reglat fotonii din fasciculul laser astfel încât să se ciocnească numai cu atomii care se mişcau în direcţia opusă lor, făcând atomii să încetinească şi, prin urmare, să se răcească. Cercetătorii şi-au îngheţat norul de litiu la 20 de microkelvin, ceea ce este aproape de zero absolut. Apoi, au folosit un al doilea laser, bine focalizat, pentru a presa atomii la o densitate record de aproximativ 1 cvadrilion (1 urmat de 15 zerouri) atomi pe centimetru cub.
Apoi, pentru a vedea cum au devenit atomii lor suprarăciţi, fizicienii au declanşat un al treilea fascicul laser - calibrat cu atenţie pentru a nu modifica temperatura sau densitatea gazului, folosind apoi o cameră hipersensibilă pentru a număra numărul de fotoni împrăştiaţi. După cum a prezis teoria lor, atomii lor răciţi şi comprimaţi, au împrăştiat cu 38% mai puţină lumină decât cei aflaţi la temperatura camerei.
Toate cele trei lucrări care demonstrează blocarea Pauli au fost publicate pe 18 noiembrie în revista Science.
Acum, că cercetătorii au demonstrat în sfârşit efectul de blocare Pauli, l-ar putea folosi în cele din urmă pentru a dezvolta materiale care suprimă lumina. Acest lucru ar fi util în special pentru îmbunătăţirea eficienţei calculatoarelor cuantice, care în prezent sunt împiedicate de decoerenţa cuantică - pierderea informaţiilor cuantice (transportată de lumină) prin mediu.
„De câte ori controlăm lumea cuantică, ca în aceste computer ultramoderne, împrăştierea luminii este o problemă şi înseamnă că informaţiile se scurg în exterior”, a spus Ketterle. „Acesta este o modalitate de a suprima împrăştierea luminii şi contribuim la tema generală a controlului lumii atomice”.
