Una nube de átomos ultrafríos es como un motel con un letrero de neón que dice que no hay vacantes.

Si un huésped del motel quiere cambiar de habitación, no tiene suerte. Si no hay habitaciones vacías, no hay más remedio que quedarse quieto. Del mismo modo, en nuevos experimentos, los átomos encerrados en condiciones de hacinamiento no tienen forma de cambiar sus estados cuánticos. Esa restricción significa que los átomos no dispersan la luz como lo harían normalmente, informan tres equipos de investigadores en Science del 19 de noviembre . Previsto hace más de tres décadas, este efecto ahora se ha visto por primera vez.

En circunstancias normales, los átomos interactúan fácilmente con la luz. Haga brillar un rayo de luz sobre una nube de átomos y dispersarán algo de esa luz en todas direcciones. Este tipo de dispersión de luz es un fenómeno común: ocurre en la atmósfera de la Tierra. “Vemos el cielo azul debido a la radiación dispersa del sol”, dice Yair Margalit, quien formó parte del equipo del MIT que realizó uno de los experimentos.

Pero la física cuántica pasa a primer plano en las nubes de átomos densos y ultrafríos. “La forma en que interactúan con la luz o dispersan la luz es diferente”, dice la física Amita Deb de la Universidad de Otago en Dunedin, Nueva Zelanda, coautora de otro de los estudios.

Según una regla llamada principio de exclusión de Pauli , los átomos de los experimentos no pueden adoptar el mismo estado cuántico, es decir, no pueden tener el mismo momento que otro átomo del experimento ( SN: 19/5/20 ). Si los átomos se empaquetan juntos en una nube densa y se enfrían hasta cerca del cero absoluto, se asentarán en los estados cuánticos de menor energía. Esos estados de baja energía se llenarán por completo, como un motel sin habitaciones abiertas.

Cuando un átomo dispersa luz, recibe un impulso, cambiando su estado cuántico, ya que envía luz en otra dirección. Pero si el átomo no puede cambiar su estado debido a las condiciones de hacinamiento, no dispersará la luz. La nube de átomos se vuelve más transparente, dejando pasar la luz en lugar de dispersarla.  

Para observar el efecto, Margalit y sus colegas emitieron luz a través de una nube de átomos de litio , midiendo la cantidad de luz que dispersa. Luego, el equipo disminuyó la temperatura para que los átomos llenen los estados de energía más bajos, suprimiendo la dispersión de la luz. A medida que bajaba la temperatura, los átomos dispersaban un 37 por ciento menos de luz, lo que indica que se impidió que muchos átomos dispersaran la luz. (Algunos átomos aún pueden dispersar la luz, por ejemplo, si son impulsados ​​a estados cuánticos de mayor energía que están desocupados).

En otro experimento, el físico Christian Sanner del instituto de investigación JILA en Boulder, Colorado, y sus colegas estudiaron una nube de átomos de estroncio ultrafríos . Los investigadores midieron cuánta luz se dispersó en ángulos pequeños, por lo que los átomos son empujados menos por la luz y, por lo tanto, es incluso menos probable que puedan encontrar un estado cuántico desocupado. A temperaturas más bajas, los átomos dispersaron la mitad de la luz que a temperaturas más altas.

El tercer experimento, realizado por Deb y el físico Niels Kjærgaard, también de la Universidad de Otago, midió una gota de dispersión similar en una nube de átomo de potasio ultrafrío y un aumento correspondiente en la cantidad de luz que se transmitía a través de la nube.

Debido a que el principio de exclusión de Pauli también gobierna cómo se comportan los electrones, protones y neutrones, es responsable de la estructura de los átomos y la materia tal como la conocemos. Estos nuevos resultados revelan el principio de amplio alcance en un nuevo contexto, dice Sanner. "Es fascinante porque muestra un principio fundamental de la naturaleza en funcionamiento".

El trabajo también sugiere nuevas formas de controlar la luz y los átomos. "Uno podría imaginar muchas aplicaciones interesantes", dice el físico teórico Peter Zoller de la Universidad de Innsbruck en Austria, que no participó en la investigación. En particular, la dispersión de la luz está estrechamente relacionada con un proceso llamado emisión espontánea, en el que un átomo en un estado de alta energía decae a una energía más baja al emitir luz. Los resultados sugieren que la descomposición podría bloquearse, aumentando la vida útil del estado energético. Esta técnica podría ser útil para almacenar información cuántica durante un período de tiempo más prolongado de lo que normalmente es posible, por ejemplo, en una computadora cuántica.

Hasta ahora, estas aplicaciones siguen siendo teóricas, dice Zoller. "Cuán realistas son es algo que se explorará en el futuro".

CITAS

C. Sanner y col . Bloqueo de Pauli de la dispersión de la luz del átomo. Ciencia . Vol. 374, 19 de noviembre de 2021, pág. 979. doi: 10.1126 / science.abh3483.

AB Deb y N. Kjærgaard. Observación del bloqueo de Pauli en la dispersión de luz de fermiones cuánticos degenerados . Ciencia . Vol. 374, 19 de noviembre de 2021, pág. 972. doi: 10.1126 / science.abh3470.

Y. Margalit y col . Bloqueo de Pauli de la dispersión de la luz en fermiones degenerados . Ciencia . Vol. 374, 19 de noviembre de 2021, pág. 976. doi: 10.1126 / science.abi6153