Un efect ciudat al mecanicii cuantice, care a fost prezis în urmă cu mai multe decenii, a fost în sfârșit demonstrat: dacă un nor de gaz este răcit destul de mult și comprimat la densitatea potrivită, poate deveni invizibil, scrie Space.com.
Oamenii de știință de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) au folosit laseri pentru a comprima și răci un gaz de litiu la densități și temperaturi destul de joase încât să reflecte mai puțină lumină. Dacă vor putea răci gazul și mai mult, aproape de zero absolut (- 273,15 grade Celsius, sau 0 Kelvin), ei spun că acesta va deveni complet invizibil.
Acest efect ciudat este prima exemplificare a principiului blocării al lui Pauli din mecanica cuantică.
„Ceea ce am observat noi este o formă specială și foarte simplă a blocării lui Pauli, ceea ce înseamnă un atom este împiedicat să facă ce fac toți atomii în mod natural - să reflecte lumina”, a declarat Wolfgang Ketterle, profesor de fizică la MIT. „Este prima observație clară că acest efect există și arată un fenomen nou în fizică.”
Noua tehnică ar putea fi folosită pentru a dezvolta materiale care absorb lumina, pentru a preveni pierderea de informații la computerele cuantice.
Principiul lui Pauli
Blocarea lui Pauli derivă din principiul excluderii al lui Pauli, formulat de fizicianul austriac Wolfgang Pauli în 1925. Pauli a postulat că particulele elementare denumite fermioni - protoni, neutroni și electroni - cu aceeași stare cuantică nu pot ocupa același spațiu.
Acest principiu nu numai că stă la baza existenței atâtor elemente chimice în tabelul periodic, dar și previne ca, atunci cnd stăm cu picioarele pe sol, să nu ne scufundăm spre centrul Pământului.
Principiul excluderii se aplică și la atomii de gaz. În mod normal, atomii dintr-un nor de gaz au suficient spațiu la îndemână în care să plutească. Dacă trimiți un foton, o particulă de lumină, într-un nor de gaz destul de cald, orice atom de care se lovește poate interacționa cu el, îi poate absorbi energia, mutându-se pe alt nivel energetic și deviind fotonul.
Lucrurile se schimbă însă dacă răcești gazul. Atomii își pierd energia și se așază pe nivelele cele joase, formând un tip de materie numit Marea Fermi: particulele sunt acum înghesuite unele în altele, incapabile să se mai mute pe niveluri de energie mai ridicate sau mai joase.
În acest punct sunt blocate ca spectatorii la un concert sold out, care au ocupat toate locurile. Particulele sunt atât de înghesuite, încât nu mai pot interacționa cu lumina. Lumina care este trimisă într-o astfel de materie pur și simplu trece prin ea.
„Un atom poate să reflecteze un foton dacă îi poate absorbi forța impactului, mutându-se pe alt scaun. Dacă toate scaunele sunt ocupate, nu mai are posibilitatea să absoarbă impactul și să devieze fotonul. Așa că atomul devine transparent”, a explicat profesorul Ketterle.
Însă a aduce un nor de gaz într-o astfel de stare este foarte dificil. Nu numai că este nevoie de temperaturi incredibil de coborâte, dar trebuie și ca atomii să fie comprimați la densități record.
Materia devine invizibilă
În cazul de față, cercetătorii au calibrat fotonii din razele laser în așa fel încât să se ciocnească doar cu atomii care se deplasează din sens opus, încetinindu-i astfel și răcindu-i. Ei au reușit să răcească norul de litiu la o temperatură puțin deasupra lui zero absolut (20 de micro Kelvini). Apoi au folosit o a doua rază laser foarte concentrată și au comprimat atomii la o densitate record, de un cvadrilion (1 urmat de 15 zerouri) de atomi pe centimetru cub.
După care, cercetătorii au îndreptat un al treilea laser spre gaz - atent calibrat pentru a nu-i afecta temperatura sau densitatea -, folosind o cameră ultrasensibilă pentru a număra fotonii deviați de norul de gaz răcit și comprimat. Așa cum prezice teoria, atomii răciți și comprimați au împrăștiat cu 38% mai puțină lumină decât atomii la temperatura camerei, făcându-i semnificativ mai transparenți.
Alte două echipe au realizat experimente similare, folosind potasiu și stronțiu, și au obținut același rezultat. Rezultatele au fost publicate în revista Science din 18 noiembrie.
Acum, că au demonstrat efectul Pauli, oamenii de știință îl pot folosi pentru a dezvolta materiale care nu reflectă lumina. Acest lucru ar fi deosebit de folositor pentru a îmbunătăți eficiența computerelor cuantice, care în prezent se confruntă cu o problemă - pierderea informației cuantice (purtată de lumină).
„Când controlăm lumea cuantică - computerele cuantice - reflexia luminii este o problemă și asta înseamnă că informații din computer se pierd. Aceasta este o metodă de a suprima reflexia luminii, astfel că putem contribui la controlul lumii atomice”, a mai spus prof. Ketterle.
Editor : Bogdan Păcurar
