Ученые впервые испытали квантовый эффект, позволяющий сделать материю невидимой
Физики Массачусетского технологического института (МТИ) впервые на практике добились эффекта, предсказанного более 30 лет назад. Охладив газ до сверхнизкой температуры и сжав его лазером, ученые увидели, что он "стал полупрозрачным" - перестал отражать и рассеивать часть падающего на него света. Таким способом можно довести материю до полной невидимости, рассказывают ученые в трех статьях в журнале Science.
Эффект основан на принципе запрета Паули - законе квантовой механики, который отражает неспособность некоторых элементарных частиц "становиться неотличимыми друг от друга". Такие частицы называются фермионами - к ним, например, относятся протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят атомы, а также сами атомы многих веществ.
Фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии - иметь одинаковую энергию, расположение в пространстве, и другие свойства. Благодаря этому может существовать твердое вещество, занимающее некоторый объем. В ином случае все предметы проваливались бы сквозь поверхности, да и сами предметы не могли бы образоваться - не существовало бы атомов в привычном виде, потому что все электроны падали бы на самую нижнюю орбиту, а ядра атомов сжались бы в нечто неосязаемое вроде света.
Однако даже фермионы можно принудить к максимальной "похожести" друг на друга. Для этого нужно охладить их до температур, близких к абсолютному нулю, который равен −273,15 °C, и максимально сблизить друг с другом. Тогда фермионы, лишившись почти всей своей энергии и попав в "плотную толпу", буквально не смогут дернуться ни туда, ни сюда. Это состояние называется блокировкой Паули, и оно лишает фермионы способности поглощать или отражать свет.
Любое вещество поглощает или отражает свет потому, что его атомы могут поглощать и переизлучать фотоны (частицы света). При поглощении фотона атом получает его энергию, чуть "пошатываясь" при этом - как тяжелый грузовик немного сдвигается с места, когда в него врезается легковая машина. Но под блокировкой Паули атому некуда "пошатнуться", поэтому он не может поглотить фотон - его энергию просто "некуда втиснуть". Так что фотоны начинают свободно пролетать сквозь атомы - по сути, вещество становится прозрачным.
Работоспособность этой концепции подтвердили физики МТИ. Они охладили облако из атомов лития до −273.14998 °C и сфокусированным лазерным лучом довели его до плотности в один квадриллион частиц на кубический сантиметр. Другим лазером ученые измерили уровень поглощения и отражения света облаком - так, чтобы не изменить его температуру. Оказалось, что вещество стало на 38% "прозрачнее", чем при комнатной температуре - в полном соответствии с теоретическими расчетами.
Как сообщают авторы исследования, с помощью блокировки Паули можно не только создавать полупрозрачные или даже невидимые материалы, но и решить одну из главных проблем квантовых компьютеров - избавить их от "порчи" кубитов из-за квантовой декогеренции. Если поместить кубиты под блокировку Паули, они начнут игнорировать частицы, прилетающие из внешней среды, и перестанут терять свои квантовые свойства.
