Физики создали экзотическую новую форму материи: «море Ферми»

Фото из открытых источников

При самых низких температурах во Вселенной физика начинает вести себя непредсказуемо. Когда атомы охлаждаются до температуры чуть выше абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию), они могут проводить электричество без сопротивления, превращаться в облака «суперчастиц» или течь без трения и подниматься по стенкам своих контейнеров.

Существование на самых малых, холодных масштабах подчиняется квантовой статистике, которая определяет поведение бозонов и фермионов: двух семейств фундаментальных частиц, которые, как считается, составляют всё во Вселенной.

Бозоны — это частицы, переносящие силу, такие как фотоны или знаменитый бозон Хиггса. Они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, а это значит, что неограниченное количество бозонов может «перекрываться» друг с другом и вести себя как когерентные волны.

Фермионы — это частицы, подобные электронам и кваркам, из которых состоят протоны и нейтроны. Они не могут «перекрываться», потому что только один фермион может занимать квантовое состояние в соответствии со знаменитым принципом исключения Паули, который также объясняет, почему звёздные зомби, такие как нейтронные звёзды и белые карлики, не коллапсируют в бесконечно малые чёрные дыры.

Недавно физики применили эти принципы для экспериментального и теоретического описания странной новой фазы квантовой материи, которую они сравнивают с морем самоорганизующихся частиц. Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters и доступны на сервере препринтов arXiv.

«Фермионы, например, аккуратно располагаются в доступных энергетических состояниях, образуя так называемое «море Ферми», — говорит Альвиз Бастианелло из Французского национального центра научных исследований (CNRS) и Университета Париж-Дофин. «Но что произойдет, если заставить взаимодействующие атомы непрерывно проходить через экстремальные условия, плавно переходя от сильного отталкивания друг от друга к сильному притяжению?»

Чтобы это выяснить, исследователи сначала создали экзотическое состояние материи, называемое бозе-газом. Оно представляло собой совокупность примерно 70 000 атомов цезия, охлажденных до неземной температуры всего в несколько нанокельвинов, что эквивалентно миллиардным долям градуса выше абсолютного нуля.

В таких экстремальных условиях атомы теряют свою индивидуальность и начинают действовать как неясно единая сущность.

Затем исследователи поместили это уникальное вещество в одномерные трубки, созданные с помощью двумерной оптической решетки — сети лазеров, которая захватывает атомы, позволяя наблюдать за ними.

Наконец, исследователи подвергли этот материал многократным циклам взаимодействия, в ходе которых они заставили составляющие его атомы сначала сильно отталкиваться, а затем притягиваться друг к другу.

Таким образом, они породили совершенно новую, неожиданно экзотическую фазу квантовой материи — дробное море Ферми.

Как уже упоминалось, бозоны могут занимать квантовые состояния без ограничений, а фермионы — нет. Следовательно, «дробность» этого моря представляет собой своего рода промежуточное состояние, в котором квантовые состояния могут быть заняты лишь частично — механизм, который может проявиться только в экспериментах с более низкими размерностями.

Циклические импульсы притяжения и отталкивания также приводят к контринтуитивному результату. Вместо того чтобы активировать или случайным образом рассеивать частицы, они производят противоположный эффект.

«Вместо простого нагрева системы, цикл взаимодействия перестраивает атомы в новое многочастичное состояние», — говорит И Цзэн из Университета Инсбрука в Австрии.

Профессор Ханнс-Кристоф Негерль из Инсбрукского университета, специализирующийся на экспериментальной квантовой физике, поясняет: «Это состояние находится в состоянии сильного возбуждения, но оно не случайно. В нем присутствует скрытый порядок, который проявляется в его корреляциях».

Учитывая удивительно сложные взаимодействия, включая видимые ряби, называемые осцилляциями Фриделя — неопровержимое доказательство существования дробного фермиевского моря, — исследователи не уверены, как обозначить это лабильное вещество.

«Мы пока не уверены, как следует назвать эти новые квазичастицы. Возможно, „суперфермионы“?» — предполагает Нагерль.

Этот новаторский эксперимент предлагает уникальный путь для изучения взаимодействий квантовых систем на основе холодных атомов, позволяющий исследовать, как наша макрореальность возникает из странностей, происходящих на самых фундаментальных масштабах.

«Открытие дробных фермиевских морей показывает, насколько далеко мы можем продвинуться в квантовом моделировании: не только воспроизводя известные модели, но и создавая и исследуя состояния, выходящие за рамки устоявшихся парадигм», — говорит Нагерль.

В результате эта работа может способствовать улучшению возможностей квантовой информации и сенсорики, позволяя осуществлять высокоточную обработку данных и измерения, связывающие мир, — с огромным потенциалом для совершенствования материаловедения, биомедицины и технологий шифрования, среди многих других областей.