Физикам из Инсбрукского университета удалось синтезировать экзотическое состояние материи, которое не вписывается в существующие теории. Им удалось получить новый класс квантовых состояний — «дробное море Ферми». Исследователи заставили ультрахолодные атомы цезия организоваться необычным образом, нарушив привычные правила квантового мира. Это открытие указывает на новую фазу материи, которая может расширить возможности квантового моделирования и помочь создавать более мощные квантовые компьютеры.
Согласно законам квантовой физики фермионы — частицы вроде электронов — не могут занимать одно и то же энергетическое состояние. Они выстраиваются в аккуратную очередь, заполняя доступные уровни один за другим. Это называется «морем Ферми». Так, например, ведут себя электроны в металлах, определяя их свойства.
Ученые из Инсбрукского университета вместе с теоретиком Альвизе Бастианелло из CNRS и Университета Париж-Дофин решили проверить, что будет, если заставить частицы циклически менять взаимодействие — от сильного отталкивания к сильному притяжению. Для этого ученые охладили атомы цезия до сверхнизких температур, изолировали их в практически одномерном пространстве и начали циклически менять взаимодействия.
Вместо того чтобы просто нагреться, атомы перестроились в совершенно новое состояние. Его назвали «дробным морем Ферми» — потому что частицы стали занимать не по одному состоянию, а как бы «дробную» часть от обычного числа.
Вместо того чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействий перестраивает атомы в новое многочастичное состояние. Это дает нам контролируемый способ исследования квантовой материи за пределами обычных равновесных парадигм
Новое состояние выглядит странно. Оно сильно возбуждено, то есть частицы обладают высокой энергией, но при этом в нем есть скрытый порядок. Математические корреляции между частицами показали характерные пульсации — так называемые осцилляции Фриделя, которые обычно возникают у фермионов. Это стало прямым доказательством того, что физики имеют дело именно с дробным морем Ферми.
Это состояние не описано теорией Томонаги-Латтинджера, которая полвека объясняла поведение одномерных квантовых систем. Ученые открыли принципиально новую критическую фазу материи.
Ученые пока не знают, как назвать новые квазичастицы, возникающие в этом состоянии, однако предполагают, что их можно именовать «супер-фермионами».
Открытие показывает, насколько далеко можно продвинуть квантовое моделирование. Дробные моря Ферми дают ученым новый инструмент для изучения квантовой материи в экстремальных условиях. Это может продвинуть создание квантовых симуляторов — устройств, которые моделируют поведение сложных квантовых систем. Такие симуляторы используют для разработки новых материалов, лекарств или более мощных квантовых компьютеров, чем есть сейчас.
Также недавно ученые сделали большой шаг к сверхпроводимости с помощью скрытого квантового состояния в металле.
