一团超冷原子云就像一家带有霓虹灯“无空房”标志的汽车旅馆。
如果汽车旅馆的客人想换房间，那他们就不走运了。没有空房间意味着别无选择，只能留在原地。同样，在新的实验中，被拥挤条件限制的原子无法切换其量子态。三组研究人员在 11 月 19 日发表的报告称，这种限制意味着原子不会像平常那样散射光。 科学 。三十多年前就预测到了这种效应，现在第一次看到了。
在正常情况下，原子很容易与光相互作用。将一束光照射在原子云上，它们会将部分光向各个方向散射。这种类型的光散射是一种常见现象：它发生在地球大气层中。“我们看到天空是蓝色的，因为来自太阳的散射辐射，”亚尔·玛格利特说，他是麻省理工学院进行其中一项实验的团队的成员。
但量子物理学在超冷、致密的原子云中脱颖而出。“它们与光或散射光相互作用的方式是不同的，”另一项研究的合著者、新西兰但尼丁奥塔哥大学的物理学家阿米塔·德布 (Amita Deb) 说。
根据泡利不相容原理的规则，实验中的原子不能呈现相同的量子态，即它们不能与实验中的另一个原子具有相同的动量（ 序列号: 5/19/20）。如果原子聚集在致密的云中并冷却到接近绝对零，它们就会进入最低能量的量子态。那些低能量状态将被完全填满，就像没有开放房间的汽车旅馆一样。
当原子散射光时，它会获得动量，改变其量子态，因为它会将光向另一个方向发射。但如果原子由于拥挤的条件而无法改变其状态，它就不会散射光。原子云变得更加透明，让光通过而不是散射。
为了观察这种效应，玛格丽特和同事将光线穿过锂原子云，测量其散射的光量。然后，研究小组降低温度，使原子填满最低能态，抑制光的散射。随着温度下降，原子散射的光减少了 37%，这表明许多原子无法散射光。（一些原子仍然可以散射光，例如，如果它们被踢入未占据的更高能量的量子态。）
在另一项实验中，科罗拉多州博尔德市 JILA 研究所的物理学家 Christian Sanner 及其同事研究了超冷锶原子云。研究人员测量了有多少光以小角度散射，原子受到光的撞击较少，因此更不可能找到未被占据的量子态。在较低温度下，原子散射的光量是较高温度下的一半。
第三个实验由 Deb 和同样来自奥塔哥大学的物理学家 Niels Kjærgaard 进行，测量了超冷钾原子云中类似的散射下降，以及通过云传输的光量相应增加。
由于泡利不相容原理还控制着电子、质子和中子的行为方式，因此它决定了我们所知的原子和物质的结构。桑纳说，这些新结果揭示了新背景下的广泛原理。“这很有趣，因为它展示了自然界中一个非常基本的原理。”
这项工作还提出了控制光和原子的新方法。“人们可以想象出很多有趣的应用，”奥地利因斯布鲁克大学的理论物理学家彼得·佐勒（Peter Zoller）说道，他没有参与这项研究。特别是，光散射与自发发射的过程密切相关，其中处于高能状态的原子通过发射光衰变为较低能量。结果表明，衰变可以被阻止，从而延长能量状态的寿命。这种技术可能有助于将量子信息存储比通常可能的时间更长的时间，例如在量子计算机中。
佐勒说，到目前为止，这些应用仍然处于理论上。“它们的现实程度有待未来探索。”
