Cómo los átomos ultrafríos y superdensos se vuelven invisibles

Los electrones de un átomo están dispuestos en capas de energía.

Al igual que los asistentes a un concierto en una arena, cada electrón ocupa una sola silla y no puede caer a un nivel inferior si todas sus sillas están ocupadas.

Esta propiedad fundamental de la física atómica se conoce como el principio de exclusión de Pauli, y explica la estructura de la cáscara de los átomos, la diversidad de la tabla periódica de elementos y la estabilidad del universo material.

Ahora, los físicos del MIT han observado el principio de exclusión de Pauli, o bloqueo de Pauli, de una manera completamente nueva: han descubierto que el efecto puede suprimir cómo una nube de átomos dispersa la luz.

Normalmente, cuando los fotones de luz penetran en una nube de átomos, las partículas pueden sonar entre sí como bolas de billar, dispersando fotones en todas las direcciones para irradiar luz y, por lo tanto, hacer que la nube sea visible.

Sin embargo, el equipo del MIT observó que cuando los átomos se sobreenfrian y ultrapresan, el efecto Pauli se activa y las partículas efectivamente tienen menos espacio para dispersar la luz.

En cambio, los fotones fluyen a través, sin ser dispersados.

En sus experimentos, los físicos observaron este efecto en una nube de átomos de litio.

A medida que se hacían más fríos y densos, los átomos dispersaban menos luz y se volvía progresivamente más tenue.

Los investigadores sospechan que si pudieran llevar las condiciones más lejos, a temperaturas de cero absoluto, la nube se volvería completamente invisible.

Los resultados del equipo, publicados en Science,representan la primera observación del efecto del bloqueo de Pauli en la dispersión de la luz por los átomos.

Este efecto se predijo hace 30 años, pero no se observó hasta ahora.

“El bloqueo de Pauli en general ha sido probado, y es absolutamente esencial para la estabilidad del mundo que nos rodea”, dice Wolfgang Ketterle, profesor de Física John D. Arthur en el MIT. “Lo que hemos observado es una forma muy especial y simple del bloqueo de Pauli, que es que impide que un átomo haga lo que todos los átomos harían naturalmente: dispersar la luz. Esta es la primera observación clara de que este efecto existe, y muestra un nuevo fenómeno en física”.

Los coautores de Ketterle son el autor principal y ex postdoc del MIT Yair Margalit, el estudiante graduado Yukun Lu y Furkan Top PhD ’20. El equipo está afiliado al Departamento de Física del MIT, el Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos y el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) del MIT.

Una patada ligera

Cuando Ketterle llegó al MIT como postdoctorado hace 30 años, su mentor, David Pritchard, profesor de física Cecil e Ida Green, hizo una predicción de que el bloqueo de Pauli suprimiría la forma en que ciertos átomos conocidos como fermiones dispersan la luz.

Su idea, en términos generales, era que si los átomos se congelaran hasta casi detenerse y se apretaran en un espacio lo suficientemente estrecho, los átomos se comportarían como electrones en capas de energía empaquetadas, sin espacio para cambiar su velocidad o posición.

Si los fotones de luz fluyeran, no podrían dispersarse e iluminar los átomos.

“Un átomo solo puede dispersar un fotón si puede absorber la fuerza de su patada, moviéndose a otra silla”, explica Ketterle, invocando la analogía de los asientos de la arena. “Si todas las demás sillas están ocupadas, ya no tiene la capacidad de absorber la patada y dispersar el fotón. Entonces, el átomo se vuelve transparente”.

“Este fenómeno nunca se había observado antes, porque las personas no pudieron generar nubes que fueran lo suficientemente frías y densas”, agrega Ketterle.

“Controlando el mundo atómico”

En los últimos años, los físicos, incluidos los del grupo de Ketterle, han desarrollado técnicas magnéticas y basadas en láser para reducir los átomos a temperaturas ultrafrácicas.

El factor limitante, dice, fue la densidad.

“Si la densidad no es lo suficientemente alta, un átomo aún puede dispersar la luz saltando sobre algunas sillas hasta que encuentre algo de espacio”, dice Ketterle. “Ese fue el cuello de botella”.

En su nuevo estudio, él y sus colegas utilizaron técnicas que desarrollaron previamente para congelar primero una nube de fermiones, en este caso, un isótopo especial del átomo de litio, que tiene tres electrones, tres protones y tres neutrones.

Congelaron una nube de átomos de litio hasta 20 microkelvins, que es aproximadamente 1/100,000 de la temperatura del espacio interestelar.

“Luego usamos un láser estrechamente enfocado para exprimir los átomos ultrafríos para registrar las densidades, que alcanzaron alrededor de un cuatrillón de átomos por centímetro cúbico”, explica Lu.

Luego, los investigadores hicieron brillar otro rayo láser en la nube, que calibraron cuidadosamente para que sus fotones no calentaran los átomos ultrafríos ni alteraran su densidad a medida que pasaba la luz.

Finalmente, utilizaron una lente y una cámara para capturar y contar los fotones que lograron dispersarse.

“En realidad estamos contando unos pocos cientos de fotones, lo cual es realmente sorprendente”, dice Margalit. “Un fotón es una cantidad tan pequeña de luz, pero nuestro equipo es tan sensible que podemos verlos como una pequeña mancha de luz en la cámara”.

A temperaturas progresivamente más frías y mayores densidades, los átomos dispersaban cada vez menos luz, tal como predecía la teoría de Pritchard.

En su punto más frío, con alrededor de 20 microkelvin, los átomos eran un 38 por ciento más tenues, lo que significa que dispersaron un 38 por ciento menos de luz que los átomos menos fríos y menos densos.

“Este régimen de nubes ultrafríos y muy densas tiene otros efectos que posiblemente podrían engañarnos”, dice Margalit. “Por lo tanto, pasamos unos buenos meses revisando y dejando de lado estos efectos, para obtener la medición más clara”.

Ahora que el equipo ha observado que el bloqueo de Pauli puede afectar la capacidad de un átomo para dispersar la luz, Ketterle dice que este conocimiento fundamental puede usarse para desarrollar materiales supresores de luz, por ejemplo, para preservar datos en computadoras cuánticas.

“Cada vez que controlamos el mundo cuántico, como en las computadoras cuánticas, la dispersión de la luz es un problema y significa que la información se está filtrando de su computadora cuántica”, reflexiona. “Esta es una forma de suprimir la dispersión de la luz, y estamos contribuyendo al tema general de controlar el mundo atómico”.

Referencia: Yair Margalit, Yu-Kun Lu, Furkan Çağrı Top, Wolfgang Ketterle. Pauli blocking of light scattering in degenerate fermions. Science, 2021; 374 (6570): 976 DOI: 10.1126/science.abi6153

Dejá una respuesta