Физики экспериментально обнаружили паулевскую блокировку светорассеяния

Физики из трех научных групп одновременно сообщили о первом в истории экспериментальном подтверждении подавления рассеяния света, вызванного блокировкой Паули. Эффект продемонстрировал чувствительность к температуре, направлению рассеяния и интенсивности падающего света. Все три статьи (первая, вторая и третья) опубликованы в журнале Science.

Оптическая спектроскопия — это один из самых старых и эффективных методов исследования вещества. Излучение, поглощение и рассеяние света каким-либо объектом напрямую зависит от квантовых свойств составляющих его частиц. Именно поэтому спектроскопия была и остается мощным драйвером развития квантовой физики.

Одним из таких примеров стал эффект подавления светорассеяния в вырожденном ферми-газе, предсказанный более 30 лет назад. В его основе лежит идея о том, что два фермиона не могут занимать одинаковое квантовое состояние (принцип запрета Паули). В случае очень холодного фермионного газа все состояния с наименьшими импульсами оказываются заняты, что приводит к подавлению передачи импульса от фотона к фермиону при упругом рассеянии. Несмотря на концептуальную важность этого эффекта, его до недавнего времени ни разу не удалось воспроизвести в эксперименте.

Эту ситуацию удалось изменить сразу трем научным группам одновременно. Блокировку Паули при рассеянии света наблюдали на фермионном калии Амита Деб (Amita Deb) и Нильс Кьергор (Niels Kjærgaard) из Университета Отаго, Новая Зеландия, на фермионном стронции — Кристиан Саннер (Christian Sanner) с коллегами Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) и на фермионном литии — физики под руководством Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) из Массачусетского технологического института. Во всех трех случаях облака атомов были пойманы в ловушки и охлаждены до сверхнизких температур.

Сформулированный Вольфгангом Паули в 1925 году, принцип запрета ассоциируется с правилом заполнения электронами атомных оболочек. Однако он справедлив для любого фермионного ансамбля частиц, например, свободных атомов (для этого суммарный спин их электронов, протонов и нейтронов должен быть полуцелым). В этом случае речь идет о квантовых состояниях движения, которые в обычных условиях описываются непрерывным импульсом. В нормальных условиях количество разрешенных состояний сильно превышает число частиц, поэтому какие-либо эффекты блокировки Паули незаметны.

Ситуация существенно меняется с понижением температуры до очень маленьких значений. Атомы стремятся занять состояния с наименьшей возможной энергией, однако запрет Паули мешает сделать это, упаковывая множество состояний частиц в сферу в пространстве импульсов. Радиус этой сферы связан с энергией Ферми, которая может быть выражена через температурные единицы. Важная особенность вырожденного ферми-газа в том, что в нем сильно подавляются упругие рассеяния фотонов. Ведь чтобы сделать это, атом должен приобрести или передать импульс, но если состояние, в которое он должен перейти под действием отдачи, занято, то и само рассеяние оказывается подавленным.

Деб и Кьергор убедились в этом, охлаждая облако изотопов ⁴⁰K до температур в несколько сотен нанокельвин. Они зафиксировали увеличение прозрачности при пропускании через него света при охлаждении газа ниже температуры Ферми. Физики сравнили этот результат с поведением охлажденного облака атомов рубидия, которые обладают бозонной статистикой. В последнем случае они не обнаружили подавление рассеяния.

Группа Саннера охлаждала газ изотопов ⁸⁷Sr и облучала его синим светом. Физики собирали рассеянные фотоны под углами 24 и 72 градуса и считали их число для разной величины переданного импульса и для разных температур. Они увидели четкое подавление рассеяния для 24 градусов при понижении температуры, что полностью согласовалось с расчетами. Авторы предположили, что блокировка Паули может препятствовать также и спонтанному излучению, что будет полезно для квантовых коммуникаций и оптических часов.

Кеттерле с коллегами исследовали рассеяние света под углом 90 градусов на пойманном в ловушку облаке изотопов ⁶Li. Они достигли подавления рассеяния на 37 процентов по сравнению с невырожденным газом для температуры в пять раз меньшей, чем температура Ферми. Физики сформулировали предел, при котором можно пренебречь нагревом вырожденного газа, вызванного импульсами отдачи.

Кроме того, они предложили альтернативную интерпретацию наблюдаемого эффекта подавления рассеяния, основанную на уменьшении стационарного структурного фактора при переходе к вырожденному режиму. Эта величина используется в оптике сплошных сред как мера неоднородности структуры, напрямую связанная с интенсивностью рассеяния. Вместе с тем, парные корреляции, вызванной статистикой Ферми, существенно гомогенизируют холодный газ, индуцируя таким образом прозрачность.

Стоит отметить, что все три группы проводили свои эксперименты в режиме сильной отстройки от резонансов в атомах. Такой подход уменьшает вероятность рассеяния для одного фотона, нивелируя вклады от многократного рассеяния. Вместе с тем, интерес представляет поведение света в окрестности резонанса, поскольку только в таком режиме можно будет наблюдать подавление спонтанного излучения в вырожденном ферми-газе.

Если же охлаждать газ не фермионов, а бозонов, то при достаточно низкой температуре они сформируют бозе-конденсат, который также демонстрирует необычные квантовые эффекты. Например, физики научились его фрагментировать, а также смешивать с другими конденсатами и с ферми-газами.

Марат Хамадеев