Физики создали новое квантовое состояние вещества

Исследователи из Инсбрукского университета совместно с теоретиком Альвисом Бастьянелло из Национального центра научных исследований и Университета Париж-Дофин открыли новое экзотическое состояние вещества, получившее название «дробное море Ферми». Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В экспериментах использовались сверхохлаждённые атомы цезия, помещённые в одномерную ловушку. В обычных условиях частицы-фермионы занимают доступные энергетические уровни послойно, образуя так называемое море Ферми — фундаментальное состояние, описывающее поведение электронов в металлах и других системах. Исследователи задались вопросом: что произойдёт, если многократно менять знак взаимодействия между атомами — от сильного отталкивания к сильному притяжению и обратно?

Выяснилось, что повторяющийся цикл не просто нагревает систему, а переводит атомы в качественно новое, высокоорганизованное состояние. Частицы начинают вести себя так, словно подчиняются правилу пониженного заполнения энергетических уровней — отсюда название «дробное» море Ферми. По словам Ханнса-Кристофа Нэгерля, руководителя экспериментальной группы, это состояние сильно возбуждено, но не хаотично. В нём присутствует скрытый порядок, который проявляется в корреляционных функциях.

Ведущий теоретический автор исследования Йи Цзэн пояснил, что цикл взаимодействий перераспределяет атомы в совершенно новое многочастичное состояние. Это даёт контролируемый способ исследовать квантовую материю за пределами равновесной парадигмы, то есть изучать системы, которые не находятся в состоянии теплового равновесия. Отличительная черта новой фазы — выраженные осцилляции Фриделя и нетипичное поведение корреляций. Эти сигнатуры указывают на принципиально новую критическую фазу, выходящую за рамки стандартной теории Томонаги — Латтинджера, которая является основным инструментом для описания одномерных квантовых систем. Нэгерль предложил называть квазичастицы в этой фазе «суперфермионами».

Открытие расширяет возможности квантовых симуляторов: физики теперь могут не только воспроизводить известные модели, но и создавать состояния материи, недостижимые в равновесных условиях. Это открывает новые перспективы для изучения квантовых явлений и может привести к созданию новых материалов и технологий, основанных на принципах квантовой механики. Дробное море Ферми представляет собой пример того, как управляемое внешнее воздействие позволяет переводить квантовые системы в принципиально новые состояния, которые невозможно получить традиционными методами охлаждения и равновесной эволюции. Исследование демонстрирует, что квантовый мир продолжает преподносить сюрпризы, и даже хорошо изученные системы могут открывать неожиданные грани своей природы.