Физици демонстрираха възможността за целенасочено създаване на необичаен клас квантови състояния, известни като „дробни морета на Ферми“. Резултатите от изследването са публикувани в списанието Physical Review Letters.

Изследването показва как може да възникне нова критична фаза на материята, когато квантовите частици се извеждат далеч извън границите на нормалните им равновесни условия. Използвайки цезиеви атоми, охладени до свръхниски температури и ограничени в едно измерение, учените многократно променяха силата на взаимодействието между частиците. Полученото състояние излиза извън рамките на поведението, предсказано от известната теория на Томонаги-Латингер за течностите, която е крайъгълен камък за разбирането на едномерните квантови системи.

Създаване на дробно море на Ферми

При много ниски температури квантовите частици обикновено следват строги правила, определящи тяхното разположение.

„Фермионите, например, се подреждат прецизно в достъпните енергийни състояния, образувайки така нареченото „море на Ферми“. Но какво ще се случи, ако принудим взаимодействащите атоми непрекъснато и циклично да преминават през екстремни условия, плавно превключвайки ги от силно отблъскване към силно привличане?“

обяснява теоретичният физик Алвизе Бастианело

Изследователите са открили, че внимателното повтаряне на този цикъл от взаимодействия извежда атомите от нормалното им основно състояние и ги превежда в силно възбудено, но при това удивително подредено състояние. Те наричат това състояние „фракционно“ море на Ферми, тъй като частиците се подчиняват на правилото за понижена запълненост.

„Вместо просто да нагряваме системата, цикълът на взаимодействия пренарежда атомите в ново многочастично състояние. Това ни дава контролиран начин за изследване на квантовата материя извън обичайните равновесни парадигми.“

казва И Цзен, водещ автор на изследването

Наскоро създаденото състояние демонстрира няколко необичайни характеристики. Математическите корелации между частиците разкриват ясно изразени пулсации, известни като осцилации на Фридел, както и характерно затихващо поведение на всички нива на отблъскващите взаимодействия. Вероятно най-важното е, че това състояние проявява свойства, които се различават от очакваните за течностите на Томонаги-Латингер, които дълго време са били стандартното описание на едномерната квантова материя.

„Това състояние е силно възбудено, но не е хаотично. То има скрит ред, който става видим в неговите корелации. Все още не сме сигурни как трябва да наречем тези нови квазичастици. Може би суперфермиони?“

казва Ханс-Кристоф Негерл, ръководител на групата

Тези отличителни характеристики сочат към съществуването на напълно нова и екзотична критична фаза. Откритието предлага нов път за изследване на универсалното квантово поведение с помощта на симулатори на студени атоми.