Gli elettroni di un atomo sono disposti in gusci di energia. Come i frequentatori di concerti in un'arena, ogni elettrone occupa una singola sedia e non può scendere a un livello inferiore se tutte le sue sedie sono occupate. Questa proprietà fondamentale della fisica atomica è nota come principio di esclusione di Pauli e spiega la struttura a guscio degli atomi, la diversità della tavola periodica degli elementi e la stabilità dell'universo materiale.

Ora, i fisici del MIT hanno osservato il principio di esclusione di Pauli, o blocco di Pauli, in un modo completamente nuovo:hanno scoperto che l'effetto può sopprimere il modo in cui una nuvola di atomi disperde la luce.

Normalmente, quando i fotoni di luce penetrano in una nuvola di atomi, le particelle possono sbattere l'una sull'altra come palle da biliardo, disperdendo i fotoni in ogni direzione per irradiare luce e quindi rendere visibile la nuvola. Tuttavia, il team del MIT ha osservato che quando gli atomi sono superraffreddati e ultraspremuti, l'effetto Pauli si attiva e le particelle hanno effettivamente meno spazio per disperdere la luce. I fotoni invece fluiscono attraverso, senza essere dispersi.

Nei loro esperimenti, i fisici hanno osservato questo effetto in una nuvola di atomi di litio. Man mano che diventavano più freddi e più densi, gli atomi disperdevano meno luce e diventavano progressivamente più deboli. I ricercatori sospettano che se riuscissero a spingere ulteriormente le condizioni, a temperature dello zero assoluto, la nuvola diventerebbe del tutto invisibile.

I risultati del team, riportati in Scienza , rappresentano la prima osservazione dell'effetto del blocco di Pauli sulla diffusione della luce da parte degli atomi. Questo effetto era previsto 30 anni fa, ma non è stato osservato fino ad ora.

"Il blocco di Pauli in generale è stato dimostrato ed è assolutamente essenziale per la stabilità del mondo che ci circonda", afferma Wolfgang Ketterle, professore di fisica al MIT di John D. Arthur. "Quello che abbiamo osservato è una forma molto speciale e semplice di blocco Pauli, che è che impedisce a un atomo di fare ciò che tutti gli atomi farebbero naturalmente:luce diffusa. Questa è la prima chiara osservazione che questo effetto esiste e mostra un nuovo fenomeno in fisica."

I coautori di Ketterle sono l'autore principale ed ex post-dottorato del MIT Yair Margalit, lo studente laureato Yukun Lu e Furkan Top Ph.D. '20. Il team è affiliato al dipartimento di fisica del MIT, al MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms e al Research Laboratory of Electronics (RLE) del MIT.

Un calcio leggero

Quando Ketterle arrivò al MIT come post-dottorato 30 anni fa, il suo mentore, David Pritchard, Cecil e Ida Green Professore di fisica, fecero una predizione che il blocco di Pauli avrebbe soppresso il modo in cui alcuni atomi noti come fermioni diffondono la luce.

La sua idea, in generale, era che se gli atomi fossero stati congelati fino a un punto fermo e schiacciati in uno spazio sufficientemente stretto, gli atomi si sarebbero comportati come elettroni in gusci di energia impacchettati, senza spazio per spostare la loro velocità o posizione. Se i fotoni di luce dovessero fluire dentro, non sarebbero in grado di disperdersi e illuminare gli atomi.

"Un atomo può disperdere un fotone solo se può assorbire la forza del suo calcio, spostandosi su un'altra sedia", spiega Ketterle, invocando l'analogia con i sedili dell'arena. "Se tutte le altre sedie sono occupate, non ha più la capacità di assorbire il calcio e disperdere il fotone. Quindi, l'atomo diventa trasparente."

"Questo fenomeno non era mai stato osservato prima, perché le persone non erano in grado di generare nuvole sufficientemente fredde e dense", aggiunge Ketterle.

"Controllare il mondo atomico"

Negli ultimi anni, i fisici, compresi quelli del gruppo di Ketterle, hanno sviluppato tecniche magnetiche e basate sul laser per portare gli atomi a temperature ultrafredde. Il fattore limitante, dice, era la densità.

"Se la densità non è abbastanza alta, un atomo può ancora disperdere la luce saltando su alcune sedie finché non trova spazio", afferma Ketterle. "Quello era il collo di bottiglia."

Nel loro nuovo studio, lui e i suoi colleghi hanno utilizzato tecniche sviluppate in precedenza per congelare prima una nuvola di fermioni, in questo caso uno speciale isotopo dell'atomo di litio, che ha tre elettroni, tre protoni e tre neutroni. Hanno congelato una nuvola di atomi di litio fino a 20 microkelvin, che è circa 1/100.000 della temperatura dello spazio interstellare.

"Abbiamo quindi utilizzato un laser strettamente focalizzato per spremere gli atomi ultrafreddi per registrare le densità, che hanno raggiunto circa un quadrilione di atomi per centimetro cubo", spiega Lu.

I ricercatori hanno quindi proiettato un altro raggio laser nella nuvola, che hanno accuratamente calibrato in modo che i suoi fotoni non riscaldassero gli atomi ultrafreddi o alterassero la loro densità mentre la luce passava. Infine, hanno utilizzato un obiettivo e una fotocamera per catturare e contare i fotoni che sono riusciti a disperdersi.

"Stiamo effettivamente contando alcune centinaia di fotoni, il che è davvero sorprendente", afferma Margalit. "Un fotone è una piccola quantità di luce, ma la nostra attrezzatura è così sensibile che possiamo vederli come una piccola macchia di luce sulla fotocamera."

A temperature progressivamente più fredde e densità più elevate, gli atomi disperdono sempre meno luce, proprio come prevedeva la teoria di Pritchard. Al loro punto più freddo, a circa 20 microkelvin, gli atomi erano più deboli del 38%, il che significa che disperdevano il 38% di luce in meno rispetto agli atomi meno freddi e meno densi.

"Questo regime di nuvole ultrafredde e molto dense ha altri effetti che potrebbero ingannarci", afferma Margalit. "Quindi, abbiamo passato alcuni buoni mesi a setacciare e mettere da parte questi effetti, per ottenere la misurazione più chiara."

Ora che il team ha osservato che il blocco di Pauli può effettivamente influenzare la capacità di un atomo di disperdere la luce, Ketterle afferma che questa conoscenza fondamentale può essere utilizzata per sviluppare materiali che sopprimono la luce, ad esempio per preservare i dati nei computer quantistici.

"Ogni volta che controlliamo il mondo quantistico, come nei computer quantistici, la dispersione della luce è un problema e significa che le informazioni fuoriescono dal tuo computer quantistico", riflette. "Questo è un modo per sopprimere la dispersione della luce e stiamo contribuendo al tema generale del controllo del mondo atomico."

Il lavoro correlato di un team dell'Università del Colorado appare nello stesso numero di Scienza .