利用量子效應讓原子變「透明」！
光線遇到物體時，會發生散射、干涉等現象，最終進入眼睛，這是大多數物體可以被看見的背後原因。但是量子力學預測：在特定情況我們可以阻止光與原子之間的散射，使得光就如同沒看見原子一般通過，這是如何辦到的呢？
撰文｜劉詠鯤
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量子效應對微觀粒子的行為造成限制，其實並不罕見。例如在描述原子的電子能階分布時，有個規則是：每個軌域中只能放入兩個電子，且這兩個電子的自旋方向必須相反。這背後的物理原理是「包立不相容原理（Pauli exclusion principle）」，要求電子這種粒子不能處於相同的量子狀態中。這種獨特的性質起因於電子的身分：它是一種費米子。
● 費米子與玻色子
在量子力學中，粒子們可以被分為費米子與玻色子。它們之間的差異在於必須遵守不同的「統計方式」，前者遵守「費米-狄拉克統計」，後者則遵循「玻色-愛因斯坦統計」。這裡的「統計」指的是甚麼意思呢？我們可以這樣理解：量子力學中，每個粒子的狀態被稱作「量子態」，一個粒子隨著其能量、位置、自旋…等性質不同，便會處於不同的量子態中。假如有一棟大樓，裡面有許多房間（量子態），現在有一群人（粒子）要入住其中，我們要怎麼把這群人安排到各個房間中呢？它存在著各式各樣的排列組合，由於每個人的個性、喜好都不相同，因此某些排列組合可能會特別適合、某些則完全不可行，形成一個「統計」上的分布。
玻色子喜歡「群聚」，如果一個房間已經有一個玻色子，其他玻色子們會更傾向於聚到這一間（玻色子傾向於處於相同量子態）。順帶一提，玻色子的這種特性，會使得它們在極低溫的環境下，形成「玻色-愛因斯坦凝聚」，造成超流體的獨特現象。（有興趣的讀者可參考CASE《千變萬化的流體（二）--超流體》一文）；相對的，費米子則較為「獨立」，喜歡住在單獨隔間，如果某個房間已經住了一位費米子，另一位便會拒絕共處一室（一個量子態只能存在一個費米子）。在一個原子軌域中，只有兩種起因於自旋方向不同的量子態，因此一個軌域裡面，最多只能有兩個電子。除了電子外，費米子的家族還包含了質子、中子等原子基本成分，以及如碳-13…等原子。因此，科學家們便在思考：電子身為費米子，會對其在能階軌域上的分布造成影響；若某個原子屬於費米子，為有甚麼獨特的效應呢？他們發現，這會影響到光與原子之間的散射。
● 光與原子的交互作用：散射
從字面上來看，散射是指當光碰到某種物質後，前進的方向受到改變。在微觀的世界中，光可以被視為一種粒子：「光子」，用來描述它與其他粒子的相互作用。光與原子散射的簡化圖像，如同兩顆球的相撞。在大多數的情況，光子的能量比原子低不少；兩者相遇，如同一顆乒乓球撞在保齡球上，光子改變了前進的方向與能量（如圖一a）。但是實際上光散射的過程更接近於：原子吸收入射光子，進入較高能量的狀態，經過極短時間後，再將光子釋放出來（如圖一b）。從這個角度來看待光的散射時，我們便可以想像以下場景：如果有某種原子為費米子，當光子與它散射時，它原本要吸收光子，進入高能量狀態。但如果高能量的狀態已經被其他原子佔據，根據包立不相容原理，這個原子便無法進入該狀態，也就不會吸收光子，使得散射不會發生囉？
圖一、光與原子散射示意圖。將散射過程看成 (a)光子與原子發生碰撞。(b) 原子先吸收光子進入高能量態，再將光子釋放出來｜來源：作者繪
實驗天體物理聯合研究所（Joint Institute of Laboratory Astrophysics , JILA）的科學家，將鍶原子利用雷射冷卻技術降到非常低的溫度。之所以要讓系統運作在非常低溫，是因為「熱」的本質是粒子運動的劇烈程度，在較高溫度的情況下，粒子本身的動能，會使得它們分散在較廣的量子態中。這樣當光子發生散射時，吸收光子後預計進入的能階，有比較高的機率沒有被佔據（如圖二a）。但若是將原子降低到極低溫，所有原子會由最低能階開始層層堆疊而上，吸收光子後預計到的能階就有非常高的機率已經被其他原子佔據（如圖二b），如此一來，阻礙散射的過程便有較高機率會發生。這個現象的實驗量測結果發表於2021年11月《科學》期刊，科學家們的確發現在精密的控制下，光的散射現象可以被顯著的抑制，驗證了理論上的預測結果。
圖二、光子與費米子系統散射能階示意圖 。(a)高溫下，費米子散佈在較廣的能階，光的散射可以順利發生。(b)低溫時，低能量狀態皆被占據，散射過程無法發生｜來源：作者繪
這個實驗結果除了再次驗證了量子力學的預測，也表示科學家們有能力準確的控制原子與光之間是如何互動。這樣的技術，在需要非常精細控制原子行為的應用，如原子鐘抑或是光學量子電腦等等領域，都可能扮演非常重要的角色。
參考資料
1. Sanner et al., Science 374, 979–983 (2021). “Pauli blocking of atom-light scattering”