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| Bloqueador azul: la luz láser azul se utiliza en el JILA para medir cómo la estadística cuántica puede afectar a la dispersión de la luz en un gas ultrafrío de átomos de estroncio. (Cortesía: Christian Sanner, Ye labs/JILA) |
Tres grupos de investigación independientes han detectado por primera vez una manifestación del principio de exclusión de Pauli en gases atómicos ultrafríos. Denominado bloqueo de Pauli, el efecto se predijo por primera vez hace 30 años y se produce cuando los átomos fermiónicos de un gas cuántico no pueden realizar transiciones a estados cuánticos cercanos.
Los científicos del JILA han creado un "mar de Fermi" congestionado que mantiene a los átomos en un estado de alta energía o excitado mediante la puesta a punto de un denso gas cuántico de átomos. Debido al retraso en su retorno normal al estado de menor energía, los átomos permanecen excitados un 10% más de lo habitual.
Según los científicos, esta técnica puede utilizarse para mejorar las redes de comunicación cuántica y los relojes atómicos.
Los átomos que permanecen excitados durante más tiempo se calman de forma natural liberando luz en porciones cuantificadas llamadas fotones. Este proceso se aprecia en el brillo de las luciérnagas y en la emisión de los LED. La velocidad de desintegración se puede manipular modificando el entorno o las propiedades internas de los átomos.
Este nuevo método se basa en el principio de exclusión de Pauli. Este principio sugiere que los fermiones idénticos (una categoría de partículas) no pueden compartir los mismos estados cuánticos simultáneamente.
Si hay suficientes fermiones en la multitud, se crea un Mar de Fermi, un fermión excitante que podría no ser capaz de lanzar un fotón como es habitual porque tendría que retroceder.
Este retroceso podría llevarlo al mismo estado de movimiento cuántico que los demás. Pero, el principio de exclusión de Pauli lo prohíbe y lo bloquea.
Además, el mar de Fermi era lo suficientemente grande como para que los átomos del centro no pudieran escapar. Los átomos de la superficie no pueden ser bloqueados tan fácilmente.
Jun Ye, becario del NIST/JILA, dijo: "El bloqueo de Pauli utiliza estados emocionales cuánticos bien organizados de un mar de Fermi para bloquear el retroceso de un átomo que quiere decaer, prohibiendo así la desintegración espontánea. Se trata de un profundo efecto cuántico para el control de las propiedades de la materia que antes se consideraban inmutables".
Para este estudio, los científicos experimentaron con un gas Fermi de baja energía, o degenerado, de miles de átomos de estroncio. Utilizando estos gases cuánticos, el equipo creó los últimos relojes atómicos.
Todas las propiedades de los átomos están restringidas a valores específicos o cuantificadas en estos gases de Fermi de baja temperatura. Como resultado, los átomos se evitan entre sí manteniendo una distancia mínima entre pares.
A continuación, utilizando luz azul, se excitaron los átomos. Posteriormente, el equipo midió la radiación de fotones resultante a lo largo de diferentes direcciones. Estableciendo condiciones específicas, el equipo redujo la emisión de fotones a lo largo de un ángulo de dispersión estrecho en un 50%. En este caso, un átomo preparado en el estado de excitación permanecería, de media, en este estado un 10% más de lo habitual.
Al principio, recibieron una vida de excitación natural de los átomos de cinco nanosegundos. Como este tiempo de vida es demasiado corto para medirlo, los científicos utilizaron la dispersión de fotones como indicador indirecto.
Ye dijo: "Futuros experimentos que utilicen diferentes niveles de energía en los átomos o gases más densos e incluso más fríos podrían prolongar los estados excitados durante períodos más largos o incluso bloquear la decadencia por completo".
Por último, al excitar sólo un pequeño número de átomos, el equipo recogió los fotones emitidos en un ángulo estrecho respecto al haz de excitación azul. De este modo, los científicos pudieron observar pequeñas transferencias de movimiento.
Los científicos señalaron que "un ángulo grande daría a los átomos demasiado impulso, aumentando sus posibilidades de escapar y debilitando el efecto de bloqueo".
Con esta técnica, es posible diseñar sistemas de luz atómica con aplicaciones potenciales.
Fuentes, créditos y referencias:
C. Sanner, L. Sonderhouse, R.B. Hutson, L. Yan, W.R. Milner, and J. Ye. Pauli blocking of atom-light scattering. Science. Published online Nov. 18, 2021. DOI: 10.1126/science.abh3483