终于观察到 30年前预言的奇怪量子效应

 蓝色激光用于测量量子效应如何影响锶原子超冷气体中的光散射（图片来源：JILA/Christian Sanner，Ye labs）

如果你得到一个足够冷的致密量子气体云，你可以直接看穿它。这种称为“泡利阻塞”现象的原因，与形成原子结构的效应相同，现在已经首次被人类所观察到。

已经有三个相互独立的团队宣布观察到这一现象。新西兰奥塔哥大学的阿米塔·德布(Amita Deb)是其中一个团队的成员，她说：“三十多年前就有理论预测这个现象，这是第一次通过实验验证了这个预测。”

泡利阻塞发生在由一种称为“费米子”的粒子组成的气体中，构成所有原子的质子、中子和电子都属于费米子，这些粒子遵循称为泡利不相容原理的规则：在给定系统中，没有两个相同的费米子可以占据相同的量子态。

首位创建量子简并费米原子气体的科学家，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理教授布赖恩·德马科说：“这一效应也是你不会从地板上掉下来的原因，这种很难观察的物理现象就在你身边，它有助于确定物质的结构和稳定性。”

当气体中的费米子紧密地堆积在一起，以致于所有可用的量子态都以一种称为“费米海”的物质形式被填充时，就会发生泡利阻塞。在这种情况下，粒子将无法移动，因此光无法向它们传递动量。因为被粒子吸收或反射的光会产生动量，所以光被迫直接穿过而不与气体相互作用。

另外一个发现该效应的团队成员，麻省理工学院的博士后研究员Yair Margalit说：“这是一种非常基本的现象，但它看起来像魔鬼一样——需要在极端条件下才能看到它——高密度和超低温——我们很难同时获得这两种情况。”

三个团队都用被磁阱捕获的原子进行了类似的实验，然后冷却到接近绝对零度。这些团队使用了不同的原子，但发现了相似的结果：当气体足够冷且密度足以形成“费米海”时，从气体中散射的光显著降低。

                                     光子穿过“费米海”（图片来源：网络） 

“同时进行三个实验并从不同方向解决问题，这是一件很棒的事情，”Deb 说，三个团队的结果彼此一致。

第三个团队的成员，科罗拉多州 JILA 研究所的Christian Sanner博士表示，这一发现可以帮助研究人员研究处于高能或激发态的原子——这些原子往往会迅速衰变。“想象一下，从其他地方取出一个激发态的原子，并将其放入这个费米海中。当它试图从激发态恢复时，它就被“阻塞”了无法释放能量，因此该原子激发态的寿命就被人为地延长了。”

研究人员说，这种现象在量子计算机中也很有用。这是因为其中一些设备中使用的原子对入射光非常敏感，在费米海中准备量子计算机的原子，可以降低这种敏感性，并帮助它们更长时间地保持其量子态，从而提高量子计算系统的稳定性。

参考文献：

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

编译：王珩

编辑：慕一