Os elétrons de um átomo estão dispostos em camadas de energia. Como os frequentadores de um concerto em uma arena, cada elétron ocupa uma única cadeira e não pode cair para um nível inferior se todas as suas cadeiras estiverem ocupadas. Essa propriedade fundamental da física atômica é conhecida como princípio de exclusão de Pauli e explica a estrutura da casca dos átomos, a diversidade da tabela periódica dos elementos e a estabilidade do universo material.
Agora, os físicos do MIT observaram o princípio de exclusão de Pauli, ou bloqueio de Pauli, de uma maneira completamente nova:eles descobriram que o efeito pode suprimir como uma nuvem de átomos espalha a luz.

Normalmente, quando os fótons de luz penetram em uma nuvem de átomos, as partículas podem se chocar como bolas de bilhar, espalhando fótons em todas as direções para irradiar luz e, assim, tornar a nuvem visível. No entanto, a equipe do MIT observou que quando os átomos são super-resfriados e ultra-espremidos, o efeito Pauli entra em ação e as partículas efetivamente têm menos espaço para dispersar a luz. Os fótons, em vez disso, fluem, sem serem dispersos.

Em seus experimentos, os físicos observaram esse efeito em uma nuvem de átomos de lítio. À medida que se tornavam mais frios e densos, os átomos espalhavam menos luz e se tornavam progressivamente mais escuros. Os pesquisadores suspeitam que, se pudessem aumentar ainda mais as condições, para temperaturas de zero absoluto, a nuvem se tornaria totalmente invisível.

Os resultados da equipe, relatados em Ciência , representam a primeira observação do efeito do bloqueio de Pauli na dispersão da luz pelos átomos. Este efeito foi previsto há 30 anos, mas não observado até agora.

"O bloqueio de Pauli em geral foi comprovado e é absolutamente essencial para a estabilidade do mundo ao nosso redor", diz Wolfgang Ketterle, professor de física John D. Arthur no MIT. "O que observamos é uma forma muito especial e simples de bloqueio de Pauli, que impede um átomo do que todos os átomos fariam naturalmente:espalhar luz. Esta é a primeira observação clara de que esse efeito existe e mostra uma novo fenômeno na física."

Os co-autores de Ketterle são o autor principal e ex-pós-doutorado do MIT Yair Margalit, o estudante de pós-graduação Yukun Lu e Furkan Top Ph.D. '20. A equipe é afiliada ao Departamento de Física do MIT, ao MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms e ao Research Laboratory of Electronics (RLE) do MIT.

Um chute leve

Quando Ketterle chegou ao MIT como pós-doutorando há 30 anos, seu mentor, David Pritchard, professor de física Cecil e Ida Green, fez uma previsão de que o bloqueio de Pauli suprimiria a maneira como certos átomos conhecidos como férmions espalham a luz.

Sua ideia, em termos gerais, era que, se os átomos fossem congelados quase parados e espremidos em um espaço apertado o suficiente, os átomos se comportariam como elétrons em camadas de energia compactadas, sem espaço para mudar sua velocidade ou posição. Se fótons de luz fluíssem, eles não seriam capazes de se espalhar e iluminar os átomos.

"Um átomo só pode espalhar um fóton se puder absorver a força de seu chute, movendo-se para outra cadeira", explica Ketterle, invocando a analogia dos assentos da arena. "Se todas as outras cadeiras estiverem ocupadas, ele não terá mais a capacidade de absorver o chute e espalhar o fóton. Assim, o átomo fica transparente."

“Esse fenômeno nunca havia sido observado antes, porque as pessoas não foram capazes de gerar nuvens frias e densas o suficiente”, acrescenta Ketterle.

"Controlando o mundo atômico"

Nos últimos anos, físicos, incluindo os do grupo de Ketterle, desenvolveram técnicas magnéticas e baseadas em laser para reduzir os átomos a temperaturas ultrafrias. O fator limitante, diz ele, foi a densidade.

“Se a densidade não for alta o suficiente, um átomo ainda pode espalhar luz pulando algumas cadeiras até encontrar algum espaço”, diz Ketterle. "Esse foi o gargalo."

Em seu novo estudo, ele e seus colegas usaram técnicas que desenvolveram anteriormente para primeiro congelar uma nuvem de férmions – neste caso, um isótopo especial do átomo de lítio, que tem três elétrons, três prótons e três nêutrons. Eles congelaram uma nuvem de átomos de lítio até 20 microkelvins, que é cerca de 1/100.000 da temperatura do espaço interestelar.

“Usamos então um laser bem focado para espremer os átomos ultrafrios para registrar densidades, que atingiram cerca de um quatrilhão de átomos por centímetro cúbico”, explica Lu.

Os pesquisadores então lançaram outro feixe de laser na nuvem, que eles calibraram cuidadosamente para que seus fótons não aquecessem os átomos ultrafrios ou alterassem sua densidade à medida que a luz passava. Finalmente, eles usaram uma lente e uma câmera para capturar e contar os fótons que conseguiram se espalhar.

"Na verdade, estamos contando algumas centenas de fótons, o que é realmente incrível", diz Margalit. "Um fóton é uma quantidade tão pequena de luz, mas nosso equipamento é tão sensível que podemos vê-lo como uma pequena gota de luz na câmera."

Em temperaturas progressivamente mais frias e densidades mais altas, os átomos espalhavam cada vez menos luz, exatamente como a teoria de Pritchard previu. No ponto mais frio, em cerca de 20 microkelvin, os átomos eram 38% mais escuros, o que significa que espalhavam 38% menos luz do que átomos menos frios e menos densos.

“Esse regime de nuvens ultrafrias e muito densas tem outros efeitos que podem nos enganar”, diz Margalit. "Então, passamos alguns bons meses analisando e colocando de lado esses efeitos, para obter a medição mais clara".

Agora que a equipe observou que o bloqueio de Pauli pode realmente afetar a capacidade de um átomo de espalhar luz, Ketterle diz que esse conhecimento fundamental pode ser usado para desenvolver materiais supressores de luz, por exemplo, para preservar dados em computadores quânticos.

“Sempre que controlamos o mundo quântico, como nos computadores quânticos, a dispersão da luz é um problema e significa que a informação está vazando do seu computador quântico”, ele reflete. "Esta é uma maneira de suprimir a dispersão da luz e estamos contribuindo para o tema geral de controlar o mundo atômico".

Trabalho relacionado de uma equipe da Universidade do Colorado aparece na mesma edição da Ciência .