In drie verschillende experimenten hebben natuurkundigen een Pauli-blokkade zien ontstaan: een quantumverschijnsel waarbij een dicht, troebel quantumgas plotseling transparant wordt. Het is voor het eerst dat dit verschijnsel is waargenomen.
Als je een dichte wolk van quantumgas maar koud genoeg maakt, kun je er dwars doorheen kijken. Dit fenomeen, dat in het Engels Pauli blocking wordt genoemd, was nog nooit eerder gezien.
‘Het is al meer dan drie decennia geleden theoretisch voorspeld’, zegt fysicus Amita Deb van de Universiteit van Otago in Nieuw-Zeeland, lid van een van de drie teams die het fenomeen hebben waargenomen. ‘Het is nu voor de eerste keer experimenteel bewezen.’
Uitgesloten
Pauli-blokkering komt voor bij deeltjes die fermionen heten. Tot die deeltjescategorie behoren onder meer de protonen, neutronen en elektronen waaruit alle materie is opgebouwd. Fermionen volgen een regel die het Pauli-uitsluitingsprincipe heet. Die schrijft voor dat twee identieke fermionen nooit dezelfde quantumtoestand kunnen hebben.
‘Datzelfde principe is de reden waarom je niet door de vloer valt’, zegt natuurkundige Brian DeMarco van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die niet betrokken was bij de experimenten. ‘De fysica erachter is heel moeilijk waar te nemen, maar het effect is overal om je heen en bepaalt de structuur en stabiliteit van materie.’
Pauli-blokkering treedt op wanneer fermionen in een gas zo dicht opeengepakt zitten, dat alle beschikbare quantumtoestanden gevuld zijn. Wanneer dat het geval is, kunnen de deeltjes niet meer bewegen.
Verplicht stilstaan
Gewoonlijk zou licht dat op het gas valt door de deeltjes geabsorbeerd of weerkaatst worden. Daarbij geeft het licht onvermijdelijk een beetje beweging aan de deeltjes. Voor deeltjes die principieel stil moeten blijven staan, is dat geen optie. Het licht zal dan ook niet door deze deeltjes worden geabsorbeerd of weerkaatst. In plaats daarvan is het gedwongen er dwars doorheen te schijnen, zonder enige interactie met het gas.
‘Dit is een heel fundamenteel verschijnsel, maar het is duivels moeilijk om te zien’, zegt Yair Margalit van het Amerikaanse MIT, lid van een van de drie teams. ‘Je hebt extreme omstandigheden nodig om het zichtbaar te maken – hoge dichtheden en ultralage temperaturen – en het is moeilijk om deze beide tegelijk te realiseren.’
Dicht en koud
De drie groepen voerden vergelijkbare experimenten uit, met atomen die in ‘magnetische vallen’ zaten waarbij magneetvelden de deeltjes op hun plek houden. Deze atomen werden afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt. Elk team gebruikte een ander atoom, maar vond vergelijkbare resultaten: de lichtverstrooiing van de gassen was aanzienlijk lager wanneer ze koud en dicht genoeg waren om een Pauli-blokkade te veroorzaken.
‘Het is geweldig dat drie experimenten op hetzelfde moment zijn uitgevoerd en het probleem vanuit verschillende richtingen bekijken’, zegt Deb. De resultaten van alle drie kwamen met elkaar overeen.
Vastgepind deeltje
De ontdekking zou onderzoekers kunnen helpen bij het bestuderen van atomen in hoogenergetische, zogeheten aangeslagen toestanden. Zo’n toestand heeft de neiging om snel te vervallen. ‘Stel je voor dat ik een aangeslagen atoom ergens anders vandaan haal, en het in zo’n gas met een Pauli-blokkade plaats. Wanneer het probeert uit de aangeslagen toestand te vervallen, kan het nergens heen. Zo wordt de levensduur van die toestand dus kunstmatig verlengd’, zegt Christian Sanner van het JILA-onderzoeksinstituut in Colorado, lid van een van de teams.
Het fenomeen kan ook nuttig zijn in quantumcomputers, zeggen de onderzoekers. De atomen die in sommige van deze apparaten worden gebruikt zijn namelijk extreem gevoelig voor invallend licht. Door in delen van de computers een Pauli-blokkade te realiseren, zou die gevoeligheid afnemen en zouden ze hun quantumtoestand langer kunnen behouden. Dat kan de stabiliteit van de quantucomputers ten goede komen.
