Физики показали квантовый эффект, позволяющий сделать материю невидимой. Как это работает и что это нам даст?

Ученые американских Массачусетского технологического института (МТИ) и Объединенного института лабораторной астрофизики, а также новозеландского Университета Отаго использовали лазеры, чтобы сжать и охладить газообразные литий, калий и стронций до такой степени, что те стали полупрозрачными, перестав отражать и рассеивать часть падающего на него света. Физики уверены — со временем они сумеют добиться того, что газ станет полностью невидимым.

О своей работе команда исследователей рассказала в трех статьях в журнале Science.

В нормальных условиях атомы очень легко взаимодействуют со светом, рассеивая его во все стороны. Самый просто пример — синее небо, которое выглядит таким из-за рассеивания солнечного излучения. Однако помести атомы в ультрахолодную обстановку — и на первый план выйдет квантовая физика, с помощью которой ученые могут творить свою магию.

Эффект, которого добились ученые, стал первым реальным примером блокировки Паули — квантово-механического процесса, предсказанного более 30 лет назад. В его основе лежит утверждение, что фермионы — элементарные частицы, из которых состоят атомы — не могут принимать одинаковое квантовое состояние. Грубо говоря, среди них нет близнецов. Однако до сих пор никому не удавалось подтвердить правильность этого эффекта.

В обычных условиях возможное количество всех состояний сильно превышает число частиц, а потому любые эффекты блокировки Паули незаметны. У атомов достаточно пространства, а также доступных уровней энергии, чтобы они могли быть разными. Благодаря этому также могут существовать и твердые вещества, а наши тела не проваливаются сквозь Землю к самому ее ядру.

Однако, если охладить фермионы до практически абсолютного нуля и максимально приблизить друг до другу, ситуация меняется. Атомы теряют почти всю свою энергию, заполняя все самые низкие доступные состояния и формируя тип материи, называемый ферми-жидкостью. Здесь фермионы оказываются скованными друг с другом, и не имеют возможности изменить свое состояние. И, что интересно для ученых, они теряют возможность поглощать или отражать свет.

Вольфганг Кеттерле, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, объясняет это на примере концертного зала. Чтобы рассеивать свет, атом поглощает энергию фотона, «пересаживаясь» на соседнее место. Однако если все соседние кресла заняты, атом не может поглощать энергию и рассеивать свет. Таким образом он становится прозрачным, пропуская фотоны света сквозь себя, не рассеивая их. Так и работает блокировка Паули.

Сложность задачи в том, что довести атомное облако до такого состояния очень сложно. Для этого нужна не только низкая температура, но и чрезвычайно высокая плотность, чтобы атомы не могли «пересаживаться» на соседнее место. Для этого физики из МТИ при помощи первого лазера охладили атомное облако до 20 микрокельвинов (-273.14998 °C), а при помощи второго сжали их до плотности в один квадриллион частиц на кубический сантиметр.

Третий лазер, который откалибровали таким образом, чтобы тот не влиял ни на температуру, ни на плотность газа, использовался, чтобы измерить, сколько света поглощает и отражает газовое облако. Как и предсказывали теоретические расчеты, новое вещество стало на 38% «прозрачнее», чем атомы в обычных условиях.

Ученые уверены — блокировка Паули поможет не только создавать полупрозрачные или невидимые материалы. С ее помощью мы сможем совершить настоящий технологический скачок и приблизимся к решению одной из самых главных проблем квантовых компьютеров, кубиты которых разрывают связь между собой из-за квантовой декогеренции — взаимодействия с окружающей средой. Если кубиты будут защищены блокировкой Паули, они смогут игнорировать частицы внешней среды, благодаря чему перестанут терять свои квантовые свойства.