Un effetto quantistico rende le nuvole di atomi ultrafreddi più trasparenti

Una nuvola di atomi ultrafreddi è come un motel con un’insegna al neon “nessun posto vacante”.

Se un ospite del motel vuole cambiare stanza, è sfortunato. L’assenza di stanze libere significa che non c’è altra scelta che restare. Allo stesso modo, in nuovi esperimenti, gli atomi rinchiusi in condizioni di affollamento non hanno modo di cambiare i loro stati quantistici. Questo vincolo significa che gli atomi non diffondono la luce come farebbero normalmente, riferiscono tre team di ricercatori nel 19 novembre. 19 Scienza. Previsto più di tre decenni fa, questo effetto è stato visto per la prima volta.

In circostanze normali, gli atomi interagiscono prontamente con la luce. Fai brillare un raggio di luce su una nuvola di atomi e disperderanno parte di quella luce in tutte le direzioni. Questo tipo di diffusione della luce è un fenomeno comune: si verifica nell’atmosfera terrestre. “Vediamo il cielo blu a causa delle radiazioni sparse dal sole”, afferma Yair Margalit, che faceva parte del team del MIT che ha eseguito uno degli esperimenti.

Ma la fisica quantistica viene alla ribalta nelle nuvole di atomi ultrafredde e dense. “Il modo in cui interagiscono con la luce o disperdono la luce è diverso”, afferma il fisico Amita Deb dell’Università di Otago a Dunedin, in Nuova Zelanda, coautore di un altro degli studi.

Secondo una regola chiamata principio di esclusione di Pauli, gli atomi negli esperimenti non possono assumere lo stesso stato quantistico, vale a dire, non possono avere la stessa quantità di moto di un altro atomo nell’esperimento (SN: 19/05/20). Se gli atomi sono ammassati insieme in una nuvola densa e raffreddati quasi allo zero assoluto, si stabiliranno negli stati quantistici a più bassa energia. Quegli stati a bassa energia saranno completamente riempiti, come un motel senza stanze aperte.

Quando un atomo disperde la luce, riceve un colpo di slancio, cambiando il suo stato quantico, poiché invia la luce in un’altra direzione. Ma se l’atomo non può cambiare il suo stato a causa delle condizioni di affollamento, non disperderà la luce. La nuvola di atomi diventa più trasparente, lasciando passare la luce invece di disperderla.

Per osservare l’effetto, Margalit e colleghi hanno irradiato luce attraverso una nuvola di atomi di litio, misurando la quantità di luce diffusa. Quindi, il team ha diminuito la temperatura per fare in modo che gli atomi riempissero gli stati energetici più bassi, sopprimendo la dispersione della luce. Quando la temperatura è diminuita, gli atomi hanno disperso il 37% di luce in meno, indicando che a molti atomi è stato impedito di disperdere la luce. (Alcuni atomi possono ancora disperdere la luce, ad esempio se vengono spinti in stati quantici di energia superiore che non sono occupati.)

In un altro esperimento, il fisico Christian Sanner dell’istituto di ricerca JILA di Boulder, in Colorado, e colleghi hanno studiato una nuvola di atomi di stronzio ultrafreddi. I ricercatori hanno misurato quanta luce è stata dispersa a piccoli angoli, per cui gli atomi sono spinti meno dalla luce e quindi è ancora meno probabile che siano in grado di trovare uno stato quantico non occupato. A temperature più basse, gli atomi disperdono la metà della luce rispetto a temperature più elevate.

Il terzo esperimento, eseguito da Deb e dal fisico Niels Kjærgaard, anche lui dell’Università di Otago, ha misurato una caduta di dispersione simile in una nuvola di atomi di potassio ultrafredda e un corrispondente aumento della quantità di luce trasmessa attraverso la nuvola.

Poiché il principio di esclusione di Pauli governa anche il comportamento di elettroni, protoni e neutroni, è responsabile della struttura degli atomi e della materia come la conosciamo. Questi nuovi risultati rivelano il principio ad ampio raggio in un nuovo contesto, afferma Sanner. “È affascinante perché mostra un principio fondamentale nella natura al lavoro.”

Il lavoro suggerisce anche nuovi modi per controllare la luce e gli atomi. “Si possono immaginare molte applicazioni interessanti”, afferma il fisico teorico Peter Zoller dell’Università di Innsbruck in Austria, che non è stato coinvolto nella ricerca. In particolare, la diffusione della luce è strettamente correlata a un processo chiamato emissione spontanea, in cui un atomo in uno stato di alta energia decade a un’energia inferiore emettendo luce. I risultati suggeriscono che il decadimento potrebbe essere bloccato, aumentando la durata dello stato energetico. Tale tecnica potrebbe essere utile per memorizzare informazioni quantistiche per un periodo di tempo più lungo di quanto sia normalmente possibile, ad esempio in un computer quantistico.

Finora, queste applicazioni sono ancora teoriche, afferma Zoller. “Quanto siano realistici è qualcosa da esplorare in futuro.”

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