一項新的研究證實，當原子被冷卻並被“擠壓”到極致時，它們散射光的能力會被抑制。一個原子的電子被安排在能量殼中。就像競技場上的觀眾一樣，每個電子都佔據着一張椅子，如果它的所有椅子都被佔據，就不能降到較低的層級。原子物理學的這一基本屬性被稱為泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），它解釋了原子的殼結構、元素周期表的多樣性以及物質宇宙的穩定性。現在，麻省理工學院的物理學家們以一種全新的方式觀察到了泡利不相容原理（又稱泡利原理）。
他們發現，該效應可以抑制原子云對光的散射。
通常情況下，當光子穿透原子云時，光子和原子可以像檯球一樣相互撞擊，向各個方向散射光線，從而使原子云可見。然而，麻省理工學院的研究小組觀察到，當原子被過冷和超擠壓時，泡利原理開始發揮作用，粒子有效地減少了散射光的空間。光子反而流過，沒有被散射。
在他們的實驗中，物理學家們在一團鋰原子中觀察到了這種效應。當它們被變得更冷和更密集時，原子散射的光更少，並逐漸變得更暗。研究人員懷疑，如果他們能夠將條件進一步推高，達到絕對零度的溫度，這團雲將變得完全不可見。
周二在《科學》雜誌上報道的研究小組的結果，代表了首次觀察到保利阻斷對原子光散射的影響。這種效應在30年前就被預測了，但直到現在才被觀察到。
麻省理工學院約翰-D-阿瑟物理學教授Wolfgang Ketterle說：“一般來說，泡利不相容已經被證實，而且對於我們周圍世界的穩定性絕對是至關重要的。我們所觀察到的是保利阻斷的一種非常特殊和簡單的形式，即它阻止一個原子做所有原子自然會做的事情：散射光。這是第一次明確觀察到這種效應的存在，它顯示了物理學中的一個新現象。”
30年前，當Ketterle作為博士後來到麻省理工學院時，他的導師David Pritchard，即Cecil和Ida Green物理學教授，做出了一個預測，即泡利不相容將抑制某些被稱為費米子的原子散射光的方式。
從廣義上講，他的想法是，如果原子被凍結到接近靜止，並被擠壓到一個足夠狹小的空間，那麼原子的行為就會像電子在密集的能量殼中一樣，沒有空間來改變它們的速度或位置。如果光子流進來，它們就無法散射。
“一個原子只有在能夠吸收其踢力的情況下才能散射光子，通過移動到另一把椅子上，”Ketterle解釋說，他引用了競技場座位的比喻。“如果所有其他的椅子都被佔用了，它就不再有能力吸收踢力和散射光子了。所以，原子變得透明。”
“這種現象以前從未被觀察到，因為人們無法生成足夠冷和密集的雲，”Ketterle補充說。
近年來，包括Ketterle小組的物理學家們已經開發了基於磁和激光的技術，將原子降至超低溫。他說，限制性因素是密度。
“如果密度不夠高，一個原子仍然可以通過跳過幾把椅子來散射光，直到它找到一些空間，”Ketterle說。”那是瓶頸。”
在他們的新研究中，他和他的同事使用了他們以前開發的技術，首先凍結了一團費米子–在這種情況下，是一種特殊的鋰原子同位素，它有三個電子、三個質子和三個中子。他們將一團鋰原子凍結到20microkelvin，這大約是星際空間溫度的1/100,000。
研究人員解釋說：“然後我們使用一個緊密聚焦的激光來擠壓超冷原子以記錄密度，密度達到了每立方厘米約四億個原子。”
研究人員隨後將另一束激光照射到雲中，他們仔細地校準了這一束激光，使其光子不會加熱超冷原子或在光線通過時改變其密度。最後，他們使用一個鏡頭和照相機來捕捉和計算設法散開的光子。
“我們實際上是在計算幾百個光子，這真的很驚人，”Margalit說。”一個光子是如此小的光量，但是我們的設備非常敏感，我們可以在相機上看到它們是一個小的光球。”
在逐漸變冷的溫度和更高的密度下，原子散射的光越來越少，就像 Pritchard的理論所預測的那樣。在它們最冷的時候，即大約20microkelvin的時候，原子變暗了38%，這意味着它們散射的光比不太冷、密度較低的原子少38%。
Margalit說：“這種超冷和非常密集的雲的制度有其他的影響，可能會欺騙我們。因此，我們花了好幾個月的時間來篩選並拋開這些影響，以獲得最清晰的測量結果。”
現在研究小組已經觀察到保利阻斷確實可以影響原子散射光的能力，Ketterle說，這一基本知識可能被用來開發具有抑制光散射的材料，例如用於保存量子計算機的數據。
“每當我們控制量子世界時，比如在量子計算機中，光散射是一個問題，意味着信息會從你的量子計算機中泄露出去，”他思考道。“這是抑制光散射的一種方法，我們正在為控制原子世界的總主題作出貢獻。”