终于证明了 可以使物质隐形的奇怪量子效应

　　几十年前预测的一种奇怪的量子效应终于得到了证实——如果你让一团气体变得足够冷和稠密，你就可以让它隐形。麻省理工学院 (MIT) 的科学家们使用激光挤压和冷却锂气体，使其密度和温度足够低，从而减少散射的光。如果他们能够将云冷却到更接近绝对零（负 459.67 华氏度，或负 273.15 摄氏度），他们说它将变得完全不可见。

　　这种奇异的效应是有史以来第一个被称为泡利阻塞的量子力学过程的具体例子。

　　“我们观察到的是泡利阻塞的一种非常特殊和简单的形式，它可以防止原子发生所有原子自然会做的事情——散射光。”研究资深作者、麻省理工学院物理学教授沃夫冈·克特勒在一份声明中说。“这是第一次明确观察到这种效应存在，它显示了物理学中的一个新现象。”

　　这项新技术可用于开发光抑制材料，以防止量子计算机中的信息丢失。

　　泡利阻塞来自泡利不相容原理，由著名的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利于 1925 年首次提出。泡利假设所有所谓的费米子粒子——如质子、中子和电子——具有相同的量子态，不能存在于相同的空间。

　　因为在幽灵般的量子水平上只有有限数量的能态，这迫使原子中的电子将自己堆叠成更高能级的壳层，这些壳层围绕原子核运行得更远。它还使不同原子的电子彼此分开，因为根据著名物理学家弗里曼戴森1967 年与他人合着的一篇论文 ，如果没有排除原理，所有原子都会在爆发出巨大能量的同时坍缩在一起。

　　这些结果不仅使元素周期表中的元素发生了惊人的变化，而且还可以防止我们的脚踩在泥土上时从地面掉下来，从而使我们跌落到地球的中心。

　　不相容原理也适用于气体中的原子。通常，气体云中的原子有很大的空间可以弹跳，这意味着即使它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子，也有足够的未占据能级让它们跳入该原理不会显着阻碍他们的运动。将光子或光粒子发送到相对温暖的气体云中，它碰到的任何原子都将能够与其相互作用，吸收其传入的动量，反弹到不同的能级，并将光子散射开。

　　但是让气体冷却下来，你就会有不同的故事。现在原子失去能量，填充所有可用的最低状态并形成一种称为费米海的物质。粒子现在被彼此包围，无法向上移动到更高的能级或下降到更低的能级。

　　研究人员解释说：“此时它们就像在售罄的舞台上坐着听音乐会的观众一样堆在贝壳里，如果被击中就无处可去。它们太拥挤了，以至于粒子不再能够与光相互作用。送入的光被泡利阻挡，并且会直接穿过。”

　　“只有通过移动到另一把椅子，原子才能吸收其踢腿的力，才能散射光子。”凯特勒说。“如果所有其它椅子都被占用，它就不再具有吸收踢腿和散射光子的能力。因此，原子变得透明。”

　　但是让原子云达到这种状态是非常困难的。它不仅需要极低的温度，还需要挤压原子以记录密度。这是一项艰巨的任务，因此在将气体吸入原子陷阱后，研究人员用激光对其进行了轰击。

　　在这种情况下，研究人员调整了激光束中的光子，使它们仅与沿相反方向运动的原子发生碰撞，从而使原子变慢，从而冷却下来。研究人员将他们的锂云冻结到 20 微开尔文，刚好高于绝对零。然后，他们使用第二个紧密聚焦的激光将原子挤压到每立方厘米大约 1 千万亿个（1 后跟 15 个零）原子的创纪录密度。

　　然后，为了查看他们的过冷原子变得多么隐蔽，物理学家使用超灵敏相机计算散射光子的数量，向他们的原子照射第三束也是最后一束激光——仔细校准以免改变气体的温度或密度. 正如他们的理论所预测的那样，它们冷却和压缩的原子比室温下的原子散射的光少 38%，使它们显着变暗。

　　另外两个独立的团队也冷却了另外两种气体，即钾和锶，以显示效果。在锶实验中，研究人员泡利阻断了激发态的原子，使它们保持激发态更长时间。

　　现在研究人员终于证明了泡利阻挡效应，他们最终可以用它来开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率特别有用，量子计算机目前受到量子退相干的阻碍——量子信息（由光携带）丢失到计算机周围。

　　“每当我们控制量子世界时，就像在量子计算机中一样，光散射就是一个问题，这意味着信息正在从你的量子计算机中泄漏出来。”Ketterle 说。“这是抑制光散射的一种方法，我们正在为控制原子世界的总主题做出贡献。”