مشاهده اثر کوانتومی عجیبی که ۳۰ سال قبل پیش‌بینی شده بود
این اثر می‌تواند در ساخت کامپیوترهای کوانتومی مؤثر باشد
سد پائولی، پدیده‌ای کوانتومی که در آن یک گاز کوانتومی متراکم بطور ناگهانی شفاف می‌شود، اکنون در سه آزمایش مستقل مشاهده شده است.
اگر یک گاز کوانتومی متراکم را به اندازه کافی سرد کنید، چنان شفاف می‌شود که می‌توانید از میان آن ببینید. این پدیده که به سد پائولی (Pauli blocking) مشهور است، توسط همان اثراتی اتفاق می‌افتد که ساختار اتم را می‌سازند، و اکنون برای اولین بار در آزمایشگاه مشاهده شده است.
آمیتا دب از دانشگاه Otago در نیوزلند و عضو یکی از گروه‌هایی که بطور مستقل این اثر را مشاهده کرده‌اند می‌گوید:
این پدیده یک پیش‌بینی نظری بود که بیش از سه دهه پیش مطرح شده بود. و اکنون این اثر برای اولین بار در آزمایشگاه مورد تأیید واقع شده است.
سد پائولی در گازهایی که از ذراتی به نام فرمیون ساخته شده‌اند رخ می‌دهد. فرمیون‌ها دسته‌ای از ذرات شامل پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها هستند که اتم‌ها را می‌سازند. این ذرات از یک قاعده به نام اصل طرد پائولی تبیعیت می‌کنند، که می‌گوید هیچ دو فرمیون یکسانی نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی در یک سیستم داشته باشند.
بریان دمکرو از دانشگاه ایلینویز که در این تحقیق مشارکت نداشته می‌گوید:
همان اثر در این‌که چرا شما از کف اتاق عبور نمی‌کنید نقش دارد. این نوع فیزیک، که مشاهده آن بسیار دشوار است، در اطراف شما قرار دارد و به تعیین ساختار و پایداری ماده کمک می‌کند.
سد پائولی وقتی رخ می‌دهد که فرمیون‌ها در یک گاز آن‌چنان فشرده و نزدیک به هم باشند که همه حالت‌های کوانتومی ممکن را اشغال کنند، و در اصطلاح به صورت ماده‌ای به شکل دریای فرمی دربیایند. در چنین حالتی، ذرات دیگر نمی‌توانند تکان بخورند، در نتیجه نور نمی‌تواند تکانه به آن‌ها وارد کند. چرا که نور توسط ذراتی جذب یا منعکس می‌شود که به آن‌ها تکانه وارد می‌کند، و در نتیجه نور بدون هیچ برهمکنشی مستقیم از میان گاز عبور می‌کند.
یائیر مارگالیت از مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) که عضوی از این گروه‌های تحقیقاتی بوده است می‌گوید:
این یک پدیده بسیار پایه‌ای است اما دیدن آن دشوار است. برای مشاهده آن نیاز به شرایط بسیار خاص و دشواری شامل چگالی‌های بالا و دماهای فوق‌العاده پایین دارید و انجام هر دو به صورت همزمان دشوار است.
هر سه گروهی که این پدیده را مشاهده کرده‌اند آزمایش‌های مشابهی با اتم‌هایی که در تله‌های مغناطیسی گرفتار شده و سپس تا نزدیک صفر مطلق سرد شدند انجام دادند. هر کدام از گروه‌ها اتم‌های متفاوتی را برای آزمایش انتخاب کردند اما نتایج یکسانی بدست آوردند: زمانی که اتم‌ها سرد شده و به اندازه کافی متراکم شدند تا یک دریای فرمی تشکیل دهند، نوری که از گاز پراکنده می‌شود به مقدار چشم‌گیری کمتر بود.
آمیتا دب می‌گوید:
این بسیار عالی است که هر سه آزمایش در زمان مشابه و از جهات مختلف به مسأله نگاه کردند. نتیجه هر سه آزمایش با یکدیگر سازگار بود.
این کشف می‌تواند به محققان در مطالعه اتم‌ها در انرژی‌های بالا یا حالت‌های برانگیخته که به سرعت واپاشی می‌کنند کمک کند. کریستین سنر از موسسه تحقیقاتی JILA در کلرادو یکی از اعضای گروه تحقیقاتی می‌گوید:
تصور کنید من یک اتم برانگیخته را از جایی دیگر می‌آورم و در این دریای فرمی از اتم‌ها قرار می‌دهد. وقتی اتم تلاش می‌کند که از حالت‌های برانگیخته پایین بیاید، هیچ‌جایی برای رفتن ندارد، در نتیجه طول عمر این حالت به طور مصنوعی افزایش می‌یابد.
همچنین این پدیده می‌تواند در ساخت کامپیوترهای کوانتومی مؤثر باشد. زیرا اتم‌هایی که در برخی از این کامپیوترها استفاده می‌شوند می‌توانند به شدت به نور برخوردی حساس باشند، و آماده سازی اجزای این کامپیوترها در دریای فرمی می‌تواند حساسیت این مواد به نور را کاهش داده و به پایداری حالت‌های کوانتومی و ثبات این ماشین‌ها کمک نماید.
نتایج این مطالعه در نشریه Science به چاپ رسیده است.
