Les électrons d'un atome sont disposés en couches d'énergie. Comme les spectateurs dans une arène, chaque électron occupe une seule chaise et ne peut pas descendre à un niveau inférieur si toutes ses chaises sont occupées. Cette propriété fondamentale de la physique atomique est connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli et explique la structure de la coquille des atomes, la diversité du tableau périodique des éléments et la stabilité de l'univers matériel.

Maintenant, les physiciens du MIT ont observé le principe d'exclusion de Pauli, ou blocage de Pauli, d'une manière complètement nouvelle :ils ont découvert que l'effet peut supprimer la façon dont un nuage d'atomes diffuse la lumière.

Normalement, lorsque des photons de lumière pénètrent dans un nuage d'atomes, les particules peuvent s'entrechoquer comme des boules de billard, dispersant des photons dans toutes les directions pour émettre de la lumière et ainsi rendre le nuage visible. Cependant, l'équipe du MIT a observé que lorsque les atomes sont surfondus et ultra-pressés, l'effet Pauli se déclenche et les particules ont effectivement moins de place pour diffuser la lumière. Les photons passent à travers, sans être dispersés.

Dans leurs expériences, les physiciens ont observé cet effet dans un nuage d'atomes de lithium. Au fur et à mesure qu'ils devenaient plus froids et plus denses, les atomes diffusaient moins de lumière et devenaient progressivement plus faibles. Les chercheurs soupçonnent que s'ils pouvaient pousser les conditions plus loin, à des températures de zéro absolu, le nuage deviendrait entièrement invisible.

Les résultats de l'équipe, rapportés dans Science , représentent la première observation de l'effet du blocage de Pauli sur la diffusion de la lumière par les atomes. Cet effet a été prédit il y a 30 ans mais n'a pas été observé jusqu'à présent.

"Le blocage de Pauli en général a été prouvé et est absolument essentiel pour la stabilité du monde qui nous entoure", déclare Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. Arthur au MIT. "Ce que nous avons observé est une forme très spéciale et simple de blocage de Pauli, à savoir qu'il empêche un atome de faire ce que tous les atomes feraient naturellement :diffuser la lumière. C'est la première observation claire que cet effet existe, et cela montre un nouveau phénomène en physique."

Les co-auteurs de Ketterle sont l'auteur principal et ancien post-doctorant du MIT Yair Margalit, l'étudiant diplômé Yukun Lu et Furkan Top Ph.D. '20. L'équipe est affiliée au département de physique du MIT, au centre MIT-Harvard pour les atomes ultrafroids et au laboratoire de recherche en électronique (RLE) du MIT.

Un léger coup de pied

Lorsque Ketterle est arrivé au MIT en tant que postdoctorant il y a 30 ans, son mentor, David Pritchard, professeur de physique Cecil et Ida Green, a prédit que le blocage de Pauli supprimerait la façon dont certains atomes connus sous le nom de fermions diffusent la lumière.

Son idée, d'une manière générale, était que si les atomes étaient gelés jusqu'à un quasi-arrêt et pressés dans un espace suffisamment étroit, les atomes se comporteraient comme des électrons dans des coquilles d'énergie emballées, sans possibilité de modifier leur vitesse ou leur position. Si des photons de lumière arrivaient, ils ne pourraient pas se disperser et illuminer les atomes.

"Un atome ne peut disperser un photon que s'il peut absorber la force de son coup de pied, en se déplaçant vers une autre chaise", explique Ketterle, invoquant l'analogie des sièges d'arène. "Si toutes les autres chaises sont occupées, il n'a plus la capacité d'absorber le coup de pied et de disperser le photon. Ainsi, l'atome devient transparent."

"Ce phénomène n'avait jamais été observé auparavant, car les gens n'étaient pas capables de générer des nuages ​​​​suffisamment froids et denses", ajoute Ketterle.

"Contrôler le monde atomique"

Ces dernières années, des physiciens, dont ceux du groupe de Ketterle, ont développé des techniques magnétiques et laser pour ramener les atomes à des températures ultra-froides. Le facteur limitant, dit-il, était la densité.

"Si la densité n'est pas assez élevée, un atome peut encore diffuser la lumière en sautant par-dessus quelques chaises jusqu'à ce qu'il trouve de la place", explique Ketterle. "C'était le goulot d'étranglement."

Dans leur nouvelle étude, lui et ses collègues ont utilisé des techniques qu'ils avaient développées précédemment pour geler d'abord un nuage de fermions - dans ce cas, un isotope spécial de l'atome de lithium, qui a trois électrons, trois protons et trois neutrons. Ils ont gelé un nuage d'atomes de lithium jusqu'à 20 microkelvins, soit environ 1/100 000 de la température de l'espace interstellaire.

"Nous avons ensuite utilisé un laser étroitement focalisé pour comprimer les atomes ultrafroids afin d'enregistrer des densités, qui atteignaient environ un quadrillion d'atomes par centimètre cube", explique Lu.

Les chercheurs ont ensuite envoyé un autre faisceau laser dans le nuage, qu'ils ont soigneusement calibré afin que ses photons ne chauffent pas les atomes ultrafroids ou ne modifient pas leur densité au passage de la lumière. Enfin, ils ont utilisé un objectif et un appareil photo pour capturer et compter les photons qui ont réussi à se disperser.

"Nous comptons en fait quelques centaines de photons, ce qui est vraiment incroyable", déclare Margalit. "Un photon est une si petite quantité de lumière, mais notre équipement est si sensible que nous pouvons le voir comme une petite goutte de lumière sur la caméra."

À des températures progressivement plus froides et des densités plus élevées, les atomes diffusaient de moins en moins de lumière, comme le prévoyait la théorie de Pritchard. Au plus froid, à environ 20 microkelvins, les atomes étaient 38 % plus faibles, ce qui signifie qu'ils diffusaient 38 % moins de lumière que les atomes moins froids et moins denses.

"Ce régime de nuages ​​ultrafroids et très denses a d'autres effets qui pourraient éventuellement nous tromper", explique Margalit. "Nous avons donc passé quelques bons mois à passer au crible et à mettre de côté ces effets, pour obtenir la mesure la plus claire."

Maintenant que l'équipe a observé que le blocage de Pauli peut en effet affecter la capacité d'un atome à diffuser la lumière, Ketterle affirme que ces connaissances fondamentales peuvent être utilisées pour développer des matériaux supprimant la lumière, par exemple pour préserver les données dans les ordinateurs quantiques.

"Chaque fois que nous contrôlons le monde quantique, comme dans les ordinateurs quantiques, la diffusion de la lumière est un problème et signifie que des informations s'échappent de votre ordinateur quantique", réfléchit-il. "C'est une façon de supprimer la diffusion de la lumière, et nous contribuons au thème général du contrôle du monde atomique."

Les travaux connexes d'une équipe de l'Université du Colorado apparaissent dans le même numéro de Science .