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

來源:pixabay

 

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”

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