Международная группа физиков экспериментально создала новую экзотическую форму квантовой материи, которую назвали «дробным морем Ферми» (fractional Fermi sea). Это открытие может расширить представления о поведении материи при экстремально низких температурах и открыть новые возможности для развития квантовых технологий, пишет ScienceAlert.
Новое состояние материи удалось получить в ходе экспериментов с ультрахолодными атомами цезия, охлажденными всего на несколько нанокельвинов выше абсолютного нуля (-273,15 °C). При таких температурах квантовые эффекты начинают доминировать над обычной физикой, атомы теряют свою индивидуальность и ведут себя как единая квантовая система, образуя так называемый [blink title="Бозе-газ" headinfo="Бозе-газ"]Это квантово-механическая фаза материи, аналогичная классическому идеальному газу. Он состоит из бозонов, имеющих целое значение спина и подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна.[/blink].
После этого учёные поместили около 70 тысяч атомов цезия в одномерные трубки, сформированные двумерной оптической решёткой из лазеров. Далее они многократно заставляли атомы переходить от сильного взаимного отталкивания к сильному притяжению. Именно такое циклическое изменение взаимодействий привело к появлению нового квантового состояния — дробного моря Ферми. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В отличие от обычного «моря Ферми», где [blink title="фермионы" headinfo="Фермионы"]Это фундаментальные и составные частицы, обладающие полуцелым спином (например, 1/2, 3/2 и т. д.) и подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака.[/blink] занимают доступные квантовые состояния в соответствии с [blink title="принципом исключения Паули" headinfo="Принцип исключения Паули"]Это фундаментальный закон квантовой механики, сформулированный Вольфгангом Паули в 1925 году. Согласно ему, никакие два одинаковых фермиона (например, электроны) в одной квантовой системе не могут одновременно находиться в абсолютно одинаковом квантовом состоянии.[/blink], в новой форме эти состояния могут быть заполнены лишь частично. Исследователи отмечают, что полученное дробное море Ферми обладает необычными свойствами. Несмотря на высокую энергию системы, циклические изменения взаимодействия не приводят к хаотическому движению атомов или нагреванию, а наоборот — упорядочивают их.
«Вместо того чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние», — отметил ведущий автор работы, физик Университета Инсбрука И Цзэн.
В ходе исследования учёные также зафиксировали характерные колебания Фриделя — особый тип квантовых волн, который они называют ключевым доказательством существования дробного моря Ферми. Руководитель исследования, профессор экспериментальной квантовой физики Университета Инсбрука Ганс-Кристоф Негерль отметил, что новое состояние материи остается необычным даже для самих исследователей.
«Мы пока не уверены, как назвать эти новые квазичастицы. Возможно, «суперфермионы»?», — предположил Негерль.
Авторы исследования считают, что открытие поможет лучше понять фундаментальные свойства квантовых систем и механизмы, благодаря которым из квантового мира возникает привычная макроскопическая реальность. Помимо фундаментальной науки, новый подход может найти применение в квантовых вычислениях, высокоточных измерениях, материаловедении, биомедицине и технологиях шифрования.
«Открытие дробных морей Ферми демонстрирует, насколько далеко мы можем продвинуться в квантовом моделировании: не только воспроизводя известные модели, но и создавая и исследуя состояния, выходящие за пределы устоявшихся парадигм», — подытожил Негерль.
В начале весны этого года учёные объявили об открытии новой субатомной частицы Xi-cc-plus. Она стала первой находкой после завершения модернизации Большого адронного коллайдера в 2023 году и уже 80-й частицей, обнаруженной на этом ускорителе.