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讓物質在眼皮底下憑空「消失」:物理學家實現量子「隱身」
2021/11/22
2021/11/22

物理學家在某種程度上是魔法師,尤其是量子物理學家。11月18日《科學》雜誌上發表了一項研究結果,稱麻省理工學院的科學家用鐳射把一團鋰原子氣體冷卻壓縮到了特殊狀態,在這種狀態下,這團氣體對光子的散射作用顯著降低——也就是說,它開始變透明了。

用于檢測氣體透明度的藍色鐳射實驗裝置。

研究人員稱,假如我們能夠持續冷卻,把氣體的溫度降低到無限接近絕對零度,這團氣體就會從我們眼前徹底「消失」。

這個變魔法般的實驗,實際上是利用了量子力學中的所謂「泡利阻斷」效應。這是物理學家首次用實驗對「泡利阻斷」效應進行演示,並證明這種效應的存在。

「泡利阻斷」出自著名的「泡利不相容原理」。1925年奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利斷言,在費米子——比如質子、中子和電子組成的系統中,不能有兩個或兩個以上的粒子處于完全相同的狀態。

「泡利不相容原理」是各種元素,乃至物質世界得以存在的重要原因。若非如此,所有原子都會坍縮在一起,並釋放出巨大的能量;我們也會墜入地心。

對于氣態物質,「泡利不相容原理」同樣適用。但是氣態物質粒子的自由度更大。進入氣態物質的光會與粒子相互作用,光的動能會被吸收,光的能量級會被降低,光子會被散射。只要有光子被散射,我們就能看見這團氣體。

但是氣態物質的溫度一旦降低,粒子就會失去能量,進入低能量態,並形成所謂的「費米海」。這時候的粒子無法再躍入高能量級,也無法落入低能量級。它們就像音樂會上的觀眾一樣,各就其位,不能隨意走動。

因為無法進入不同的能量級,這些粒子也就無法再與光子發生相互作用,無法碰撞,無法吸收能量,也無法散射。進入處于「泡利阻斷」態物質的光子因此可以徑直穿過物質。

但是要讓一團氣體進入「泡利阻斷」狀態十分不易,不但需要極端低溫,還需要超高密度。

研究人員首先用鐳射限制原子的運動,使之降速、降溫到接近絕對零度;然後用鐳射把這團氣體的密度提高到每立方公分10¹⁵個原子。

最後,研究人員在不影響氣體溫度和密度的前提下,對其光子散射能力進行評估。他們使用超靈敏相機對被散射的光子進行計數。最終發現,這些氣體的光子散射能力,比常溫下低了38%。

總共有三個團隊分別獨立完成了類似實驗。另外兩個團隊使用的氣體分別由鉀和鍶組成。

但是與一般人猛一看就會聯想到的「隱身術」不同,「泡利阻斷」目前最有希望被應用的領域其實是量子計算。量子電腦對資料進行處理的媒介是光,而利用「泡利阻斷」效應,可以製造出抑光材料,防止資訊因「退相干」效應而丟失。

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