Une nouvelle étude confirme que lorsque les atomes sont refroidis et comprimés à l’extrême, leur capacité à diffuser la lumière est supprimée. Crédit : Christine Daniloff, MIT
Comment les atomes ultrafroids et superdenses deviennent invisibles
Une nouvelle étude confirme que lorsque les atomes sont refroidis et comprimés à l’extrême, leur capacité à diffuser la lumière est supprimée.
Un atomeLes électrons de s sont disposés en couches d’énergie. Comme les spectateurs dans une arène, chaque électron occupe une seule chaise et ne peut pas descendre à un niveau inférieur si toutes ses chaises sont occupées. Cette propriété fondamentale de la physique atomique est connue sous le nom de principe d’exclusion de Pauli, et elle explique la structure en coque des atomes, la diversité du tableau périodique des éléments et la stabilité de l’univers matériel.
Maintenant, AVEC les physiciens ont observé le principe d’exclusion de Pauli, ou blocage de Pauli, d’une manière complètement nouvelle : ils ont découvert que l’effet peut supprimer la façon dont un nuage d’atomes diffuse la lumière.
Normalement, lorsque des photons de lumière pénètrent dans un nuage d’atomes, les photons et les atomes peuvent se cogner comme des boules de billard, diffusant la lumière dans toutes les directions pour irradier la lumière et rendre ainsi le nuage visible. Cependant, l’équipe du MIT a observé que lorsque les atomes sont surfondus et ultraserrés, l’effet Pauli se déclenche et les particules ont effectivement moins de place pour diffuser la lumière. Au lieu de cela, les photons circulent à travers, sans être dispersés.
Le principe du blocage de Pauli peut être illustré par une analogie de personnes remplissant des sièges dans une arène. Chaque personne représente un atome, tandis que chaque siège représente un état quantique. À haute température (a), les atomes sont placés de manière aléatoire, de sorte que chaque particule peut diffuser la lumière. A basse température (b), les atomes s’entassent. Seuls ceux qui ont plus d’espace près du bord peuvent diffuser la lumière. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Dans leurs expériences, les physiciens ont observé cet effet dans un nuage d’atomes de lithium. Au fur et à mesure qu’ils sont devenus plus froids et plus denses, les atomes ont diffusé moins de lumière et sont devenus progressivement plus sombres. Les chercheurs soupçonnent que s’ils pouvaient pousser les conditions plus loin, à des températures de zéro absolu, le nuage deviendrait entièrement invisible.
Les résultats de l’équipe, communiqués aujourd’hui dans Science, représentent la première observation de l’effet du blocage de Pauli sur la diffusion de la lumière par les atomes. Cet effet a été prédit il y a 30 ans mais n’a pas été observé jusqu’à maintenant.
« Le blocage de Pauli en général a été prouvé et est absolument essentiel pour la stabilité du monde qui nous entoure », déclare Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. Arthur au MIT. « Ce que nous avons observé est une forme très spéciale et simple de blocage de Pauli, c’est-à-dire qu’il empêche un atome de faire ce que tous les atomes feraient naturellement : diffuser la lumière. C’est la première observation claire que cet effet existe, et cela montre un nouveau phénomène en physique.
Les co-auteurs de Ketterle sont l’auteur principal et ancien postdoctorant du MIT Yair Margalit, l’étudiant diplômé Yu-kun Lu et Furkan Top PhD ’20. L’équipe est affiliée au département de physique du MIT, au MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms et au Research Laboratory of Electronics (RLE) du MIT.
Un coup de pied léger
Lorsque Ketterle est arrivé au MIT en tant que postdoctorant il y a 30 ans, son mentor, David Pritchard, professeur de physique à Cecil et Ida Green, a prédit que le blocage de Pauli supprimerait la façon dont certains atomes connus sous le nom de fermions diffusent la lumière.
Son idée, d’une manière générale, était que si les atomes étaient gelés jusqu’à un quasi-arrêt et pressés dans un espace suffisamment étroit, les atomes se comporteraient comme des électrons dans des enveloppes d’énergie emballées, sans espace pour déplacer leur vitesse ou leur position. Si des photons de lumière affluaient, ils ne pourraient pas se disperser.
L’étudiant diplômé Yu-Kun Lu aligne des optiques pour observer la diffusion de la lumière à partir de nuages d’atomes ultrafroids. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
« Un atome ne peut diffuser un photon que s’il peut absorber la force de son coup de pied, en se déplaçant sur une autre chaise », explique Ketterle, invoquant l’analogie des sièges d’arène. « Si toutes les autres chaises sont occupées, il n’a plus la capacité d’absorber le coup de pied et de disperser le photon. Ainsi, les atomes deviennent transparents.
« Ce phénomène n’avait jamais été observé auparavant, car les gens n’étaient pas capables de générer des nuages suffisamment froids et denses », ajoute Ketterle.
« Contrôler le monde atomique »
Ces dernières années, des physiciens, dont ceux du groupe de Ketterle, ont développé des techniques magnétiques et laser pour ramener les atomes à des températures ultrafroides. Le facteur limitant, dit-il, était la densité.
« Si la densité n’est pas assez élevée, un atome peut toujours diffuser la lumière en sautant par-dessus quelques chaises jusqu’à ce qu’il trouve de la place », explique Ketterle. “C’était le goulot d’étranglement.”
Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont utilisé des techniques qu’ils avaient développées précédemment pour geler d’abord un nuage de fermions – dans ce cas, un isotope spécial de l’atome de lithium, qui a trois électrons, trois protons et trois neutrons. Ils ont gelé un nuage d’atomes de lithium jusqu’à 20 microkelvins, soit environ 1/100 000 de la température de l’espace interstellaire.
“Nous avons ensuite utilisé un laser étroitement focalisé pour presser les atomes ultrafroids afin d’enregistrer des densités, qui ont atteint environ un quadrillion d’atomes par centimètre cube”, explique Lu.
Les chercheurs ont ensuite projeté un autre faisceau laser dans le nuage, qu’ils ont soigneusement calibré afin que ses photons ne réchauffent pas les atomes ultrafroids ou ne modifient leur densité lorsque la lumière les traverse. Enfin, ils ont utilisé un objectif et un appareil photo pour capturer et compter les photons qui ont réussi à se disperser.
« Nous comptons en fait quelques centaines de photons, ce qui est vraiment incroyable », déclare Margalit. “Un photon est une si petite quantité de lumière, mais notre équipement est si sensible que nous pouvons les voir comme une petite goutte de lumière sur l’appareil photo.”
À des températures de plus en plus froides et à des densités plus élevées, les atomes ont diffusé de moins en moins de lumière, comme le prévoyait la théorie de Pritchard. À leur plus froid, à environ 20 microkelvins, les atomes étaient 38 pour cent plus faibles, ce qui signifie qu’ils diffusaient 38 pour cent moins de lumière que des atomes moins froids et moins denses.
“Ce régime de nuages ultrafroids et très denses a d’autres effets qui pourraient éventuellement nous tromper”, explique Margalit. « Donc, nous avons passé quelques bons mois à passer au crible et à mettre de côté ces effets, pour obtenir la mesure la plus claire. »
Maintenant que l’équipe a observé que le blocage de Pauli peut effectivement affecter la capacité d’un atome à diffuser la lumière, Ketterle dit que cette connaissance fondamentale peut être utilisée pour développer des matériaux avec une diffusion de la lumière supprimée, par exemple pour préserver les données dans les ordinateurs quantiques.
« Chaque fois que nous contrôlons le monde quantique, comme dans les ordinateurs quantiques, la diffusion de la lumière est un problème et signifie que des informations s’échappent de votre ordinateur quantique », se souvient-il. “C’est un moyen de supprimer la diffusion de la lumière, et nous contribuons au thème général du contrôle du monde atomique.”
Référence : « Pauli blocking of light scattering in degenerate fermions » par Yair Margalit, Yu-Kun Lu, Furkan Çagri Top et Wolfgang Ketterle, 18 novembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abi6153
Cette recherche a été financée, en partie, par la National Science Foundation et le ministère de la Défense. Des travaux connexes menés par des équipes de l’Université du Colorado et de l’Université d’Otago figurent dans le même numéro de Science.
