30年前预言的奇怪量子效应，终于被证实

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，头图来自：视觉中国

一

在物理学中，质子、中子和电子都可以被归类为费米子。当我们测量费米子的自旋时，总会得到以普朗克常数除以2π为单位的半整数值，比如1/2、3/2、5/2等等。

根据自旋统计定理，费米子遵循泡利不相容原理，也就是说，在一个由费米子组成的系统中，两个或两个以上的费米子不能占据相同的量子态。泡利不相容原理解释了原子的壳结构，元素周期表的多样性，以及物质宇宙的稳定性。

30年前，物理学家预言了一种与费米子有关的物理效应。他们认为，在由费米子构成的冷气体中，光的散射会受到抑制，这种现象被称为泡利阻塞（Pauli blocking）。这是一种非常基本却又难以观测的现象，它需要非常极端的观测条件——高密度和超低温，而这两种条件很难同时获得。

现在，《科学》杂志刊登了三项由三个不同的研究小组独立做出的研究，报告了对泡利阻塞这种奇异现象的首次实验证明。

二

在通常情况下，当光子穿过原子云时，光子和原子会像台球一样相互碰撞，向各个方向散射光，释放出光辐射，从而使得原子云可见。而泡利阻塞效应则预测，当原子被冷却并受到挤压时，它们的有效散射光的空间就会减少，光子不会发生散射，而是会穿过原子云。

我们可以用人们在体育场中落座来类比泡利阻塞效应。每个人代表一个原子，每个座位代表一个量子态。一个原子只能通过移动到另一个座位上来吸收光子对它的冲击力，才能散射光子。而如果一个原子周围的其他所有座位都被占用了，那么它就不再有能力吸收冲击力以及散射光子，所以，原子变得透明了。

 泡利阻塞的座位类比，(a)代表在高温状态下，原子随机排列，因此每个粒子都能散射光；(b)代表在低温下，原子聚集在一起，只有那些靠近边缘的有着更大空间的原子才能散射光线。｜图片来源：MIT

在此之前，无法实现高密度是导致这种现象从未被观测到过的一个主要限制因素。在密度不够高的情况下，一个原子仍然可以通过“跳跃过几个座位”来找到一些空间对光进行散射。近年来，世界各地的许多物理学家团队都在试图发展磁性和基于激光的技术，以此来将原子降至超冷温度。

现在，分别来自美国国家标准技术局（NIST）、新西兰奥塔哥大学、美国麻省理工学院（MIT）的三个研究团队，通过采用磁阱捕获原子，然后将原子冷却到接近绝对零度的温度的方法，终于证实这种基础而又奇异的量子现象。

这三个研究团队都通过调整致密的原子气体，使其形成了一个拥挤的“费米海”。在实验中，他们所使用的都是不同的原子，NIST的研究团队采用的是锶原子，奥塔哥大学的研究团队使用的是钾原子，MIT研究团队所用的则是锂原子。

虽然三个研究团队试图从不同的实验方向来探索这个问题，但它们的主要特点都包括使原子气体具有尽可能低的能量，从而使纯量子力学的阻塞现象得以发生。他们的实验结果也惊人的一致：当气体温度低、密度大到足以形成费米海时，气体散射的光明显减少。随着温度逐渐降低、密度越来越高，被原子散射的光也越来越少。

以NIST的实验为例，研究人员用蓝光激发费米海中的锶原子，然后测量沿不同方向产生的光子辐射。他们发现，沿狭窄散射角度的光子散射减少了50%。而在MIT的实验中，当锂原子被冷却到最低温度20微开尔文时，原子的亮度降低了38%。

三

泡利阻塞是一种深远的量子效应，它可被用于控制以前认为不可改变的物质属性。其实，在新的研究结果公布之前，就有人曾提出过可以利用将原子嵌入费米海来研究泡利阻塞效应，但这是研究人员首次通过这种方法真正做到这一点。这项技术为量子工程原子光系统提供了新的方法，具有潜在的应用前景。通过证实泡利阻塞确实可以影响原子散射光的能力，科学家或许可以更好地开发抑制光散射的材料，例如在量子计算机中保存数据。

参考来源：

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/11/energizer-atoms-jila-researchers-find-new-way-keep-atoms-excited

https://news.mit.edu/2021/atoms-ultracold-scatter-light-1118

https://physicsworld.com/a/pauli-blocking-is-spotted-in-ultracold-fermionic-gases/

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh3483

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh3470

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi6153

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