Физики открыли новую квантовую фазу материи

Ученые из Токийского института науки обнаружили устойчивую «исключительную фермионную сверхтекучесть» — новую квантовую фазу материи, в которой особые сингулярности, называемые исключительными точками, являются внутренним свойством самого состояния. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Исследование авторов было посвящено открытым квантовым системам, где возможны потери частиц и направленная асимметрия их движения. Такие системы описываются неэрмитовыми моделями, в которых привычные законы квантовой механики нарушаются. В них возникают исключительные точки — состояния, где одновременно сливаются энергетические уровни и соответствующие квантовые состояния. Ранее считалось, что такие точки появляются лишь на границе фазового перехода, например при разрушении сверхтекучести.

Физики показали, что это не так. Изучая неэрмитову версию притягательной модели Хаббарда с нарушением спиновой согласованности пар, они обнаружили устойчивую сверхтекучую фазу, внутри которой исключительные точки существуют постоянно. По словам руководителя проекта, доцента, Акихисы Коги, эта фаза характеризуется не только конечным параметром порядка, но и встроенными в импульсное пространство исключительными точками, что принципиально отличает ее от ранее известных неэрмитовых сверхтекучих состояний.

Ключевым механизмом оказалась особая форма диссипации, при которой частицы с противоположными спинами предпочитают двигаться в разных направлениях. Вместо разрушения куперовских пар такое спиновая несогласованность стабилизирует новое состояние. Расчеты показали, что геометрия решетки играет решающую роль: на квадратной решетке исключительная сверхтекучесть возникает даже при сколь угодно слабом притяжении, тогда как на кубической сильная диссипация может ее уничтожить. При этом в трех измерениях исключительные точки формируют линии, а в двух — изолированные точки.

Авторы подчеркивают, что новая фаза потенциально реализуема в экспериментах с ультрахолодными атомными газами, такими как литий-6 или калий-40, где можно точно контролировать потери частиц. По мнению Акихисы Коги, открытие открывает новое направление в изучении неравновесной сильно коррелированной квантовой материи и показывает, что диссипация может быть не врагом, а инструментом формирования новых квантовых состояний.