研究人員利用藍(lán)色激光來(lái)檢測(cè)氣體透明度的增加

　　新浪科技訊 北京時(shí)間11月23日消息，在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家終于證實(shí)了一個(gè)幾十年前預(yù)言的奇異量子效應(yīng)——如果能使一團(tuán)氣體變得足夠冷且足夠致密，那就能讓它隱形。這項(xiàng)技術(shù)或許可以用于防止量子計(jì)算機(jī)的信息丟失。

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員利用激光擠壓并冷卻鋰氣體，使其密度和溫度變得足夠低，以減少光的散射，如果能將這團(tuán)氣體冷卻到更接近絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度），那這團(tuán)氣體將完全隱形。

　　這種奇異的量子效應(yīng)被稱為“泡利阻塞”（Pauli blocking），而這項(xiàng)研究也成為歷史上該量子力學(xué)過程的首個(gè)具體例子。

　　被觀察到的是泡利阻塞的一種非常特殊和簡(jiǎn)單的形式。泡利阻塞阻止了一個(gè)原子的自然行為：使光散射，這是第一次清楚地觀察到這種效應(yīng)的存在，展示了物理學(xué)上的一種新現(xiàn)象。

　　研究人員稱，這種新技術(shù)可用于開發(fā)光抑制材料，以防止量子計(jì)算機(jī)中的信息丟失。泡利阻塞源自泡利不相容原理，由奧地利著名物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?925年首次提出。泡利假設(shè)所有具有相同量子態(tài)的費(fèi)米子——如質(zhì)子、中子和電子——不可能存在于同一空間。

　　這是因?yàn)椋诹孔铀缴现淮嬖谟邢迶?shù)量的能態(tài)，迫使原子中的電子把自己堆積起來(lái)，形成更高能級(jí)的殼層，在距離原子核更遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)著名物理學(xué)家弗里曼·戴森在1967年參與撰寫的一篇論文，泡利阻塞可以讓不同原子之間的電子保持距離，因?yàn)槿绻麤]有這個(gè)不相容原理，所有原子都會(huì)坍塌，并釋放出巨大的能量。

　　泡利不相容原理也適用于氣體中的原子。通常情況下，氣體云中的原子有很大的彈跳空間，這意味著即使它們可能是受泡利不相容原理約束的費(fèi)米子，但仍有足夠的未被占據(jù)能級(jí)供它們躍遷；泡利不相容原理并不會(huì)顯著阻礙它們的運(yùn)動(dòng)。將光子送入一團(tuán)相對(duì)溫暖的氣體云時(shí)，它碰撞到的任何原子都能與之相互作用，吸收其帶來(lái)的動(dòng)量，反沖到不同的能級(jí)，并散射光子。

　　然而，如果將氣體冷卻下來(lái)，你會(huì)看到完全不同的情況。此時(shí)原子失去了能量，填滿了所有可能的最低能級(jí)，形成了所謂的“費(fèi)米?！?。這些粒子現(xiàn)在被彼此包圍，不能向上移動(dòng)到更高的能級(jí)，也不能下降到更低的能級(jí)。

　　研究人員解釋道，此時(shí)這些堆積在殼層里的粒子就像滿座音樂廳里的聽眾一樣，即使被擊中也無(wú)處可去。它們是如此密集，以至于粒子不再能與光相互作用。光線被泡利阻塞了，只能徑直通過。

　　一個(gè)原子只有通過移動(dòng)到另一個(gè)“座位”上，才能吸收光子的撞擊，從而散射光子，如果其他“座位”都被占用，那它就不再有能力吸收撞擊并散射光子。因此，原子就變得透明了。

　　不過，讓原子云達(dá)到這種狀態(tài)是非常困難的。這不僅需要極低的溫度，還需要將原子壓縮到創(chuàng)紀(jì)錄的密度。這是一項(xiàng)精細(xì)的任務(wù)，因此研究人員在捕獲了原子阱中的氣體后，用激光對(duì)其進(jìn)行了轟擊。

　　在這種情況下，研究人員調(diào)整了激光束中的光子，使其只碰撞與它們反向運(yùn)動(dòng)的原子，從而使原子速度變慢并冷卻下來(lái)。研究人員將鋰氣體云凍結(jié)到20微開爾文，只略高于絕對(duì)零度。然后，他們使用另一束緊聚焦激光將原子壓縮到每立方厘米約1000萬(wàn)億個(gè)原子的密度水平，創(chuàng)下了新的記錄。

　　接著，為了觀察超冷原子的隱形程度，研究人員又將第三束也是最后一束激光射向原子，并使用一臺(tái)高度靈敏的相機(jī)來(lái)計(jì)算散射光子的數(shù)量。這束激光經(jīng)過了仔細(xì)校準(zhǔn)，使其不改變氣體的溫度或密度。正如理論預(yù)測(cè)的那樣，被冷卻并壓縮的原子所散射的光，比室溫下的原子少38%，這使它們顯著變暗。

　　此外，有兩個(gè)獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)冷卻了另外兩種氣體，即鉀和鍶，也證明了這種效應(yīng)。在鍶實(shí)驗(yàn)中，研究人員泡利阻塞了激發(fā)態(tài)原子，使它們?cè)诩ぐl(fā)態(tài)中保持了更長(zhǎng)時(shí)間。這三篇證明泡利阻塞的論文都發(fā)表在11月18日的《科學(xué)》（Science）雜志上。

　　現(xiàn)在，研究人員終于證明了泡利阻塞效應(yīng)，并有望用這一效應(yīng)來(lái)開發(fā)抑制光的材料。這對(duì)于提高量子計(jì)算機(jī)的效率尤為有利，因?yàn)槟壳暗牧孔佑?jì)算機(jī)受到量子退相干的阻礙，即由光攜帶得量子信息會(huì)逸失到計(jì)算機(jī)的周圍環(huán)境中。

　　每當(dāng)我們要控制量子世界，比如量子計(jì)算機(jī)時(shí)，就總會(huì)遇到光散射的問題，這意味著信息正在從量子計(jì)算機(jī)中泄露出來(lái)，泡利阻塞是抑制光散射的一種方式，為控制原子世界這一主題做出貢獻(xiàn)。

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