Фізики створили «дробове море Фермі» з прихованим квантовим порядком

Уявіть собі матерію, яка наче «перегріта» до високого енергетичного стану, але замість хаосу в ній виникає новий, прихований порядок. Саме таку дивну поведінку зафіксувала команда фізиків, створивши ніколи раніше не бачену фазу матерії — так зване «дробове море Фермі». Про цю роботу розповідає SciTechDaily.

Замість того щоб просто нагріти систему й отримати безлад, дослідники змусили ультрахолодні атоми цезію багаторазово переходити від сильної взаємної відштовхувальної взаємодії до сильної приваблювальної. Результат виявився парадоксальним: атоми опинилися в дуже збудженому, але водночас впорядкованому квантовому стані, який не описується звичною теорією.

Що відомо коротко

• Фізики створили нову фазу матерії, яку назвали «дробовим морем Фермі».
• Стан виникає в ультрахолодних атомах цезію, обмежених рухом в одновимірному просторі.
• Атоми багаторазово переводили між сильною відштовхувальною та сильною приваблювальною взаємодією.
• Нова фаза не підкоряється стандартній Томонага–Латтінгерівській рідині, що описує одновимірні квантові системи.
• «Дробове море Фермі» демонструє прихований порядок і характерні квантові коливання, які відрізняють його від відомих станів.

Як працює звичайне «море Фермі» і що в ньому «дробового»

У світі квантової фізики ферміони — частинки на кшталт електронів — заповнюють енергетичні рівні за суворим правилом: на кожному рівні може «сидіти» лише обмежена кількість частинок. Сукупність заповнених рівнів називають «морем Фермі» — ніби всі доступні місця в енергетичному «театрі» зайняті глядачами.

У новому експерименті дослідники поставили запитання: що буде, якщо змусити взаємодіючі атоми постійно проходити через крайні умови — від сильного відштовхування до сильної взаємної привабливості? Виявилося, що тоді частинки поводяться так, ніби правило заповнення енергетичних рівнів «послабили».

Саме тому новий стан назвали «дробовим морем Фермі»: частинки виглядають так, ніби займають енергетичні стани не повністю, а за певним «дробовим» правилом. Це не просто інша температура чи тиск — це інший спосіб організації квантової матерії.

Квантова інженерія: як змусити атоми порушити звичні правила

Команда працювала з ультрахолодними атомами цезію, замкненими практично в одновимірному «тунелі». У такому вузькому каналі атоми можуть рухатися лише вздовж однієї лінії, що робить систему ідеальним полігоном для перевірки квантових теорій.

Дослідники багаторазово змінювали силу взаємодії між атомами, циклічно переводячи їх від сильної відштовхувальної до сильної приваблювальної взаємодії. Це схоже на те, якби ви безперервно стискали й розтягували пружину, але робили це настільки точно, що замість хаотичних коливань вона входила в новий, складний, але стабільний режим руху.

Такий підхід називають квантовою інженерією: замість того щоб чекати, поки природа сама створить рідкісний стан, вчені «програмують» взаємодії між частинками, щоб отримати штучну, але контрольовану фазу матерії, яка не виникає в звичайних умовах.

Прихований порядок і чим новий стан відрізняється від відомих

Зазвичай одновимірні квантові системи описують у рамках так званої Томонага–Латтінгерівської рідини. Вона задає, як мають поводитися частинки, що сильно взаємодіють у вузькому каналі. Але «дробове море Фермі» не вкладається в цю схему.

У новому стані між частинками виникають особливі математичні зв’язки, які проявляються у вигляді виразних «хвиль» — так званих осциляцій Фріделя. Це періодичні «рифлення» в розподілі частинок, які вказують на впорядкованість, приховану в кореляціях між ними.

Крім того, дослідники виявили характерні закони спадання цих кореляцій для всіх рівнів відштовхувальної взаємодії. Це чітко відрізняє новий стан від стандартних одновимірних квантових рідин і свідчить, що йдеться про зовсім іншу критичну фазу матерії.

Попри те, що система перебуває у високо збудженому стані, вона не є випадковою чи хаотичною. У ній існує прихований порядок, який стає видимим лише через детальний аналіз кореляцій між частинками. Дослідники навіть припускають, що нові квазічастинки, які описують цей стан, можна було б жартома назвати «суперферміонами».

Навіщо потрібне «дробове море Фермі»

Нова фаза матерії відкриває ще один вимір для квантової симуляції. Зазвичай холодні атомні установки використовують, щоб відтворювати вже відомі моделі твердого тіла чи інших квантових систем. Тут же вчені пішли далі: вони не просто відтворили те, що описує теорія, а створили стан, який виходить за межі усталених парадигм.

«Дробове море Фермі» дає фізикам керований інструмент для дослідження універсальної квантової поведінки далеко від рівноваги. Це як мати лабораторію, де можна безпечно програвати «екстремальні сценарії» для матерії й дивитися, які нові закони з’являються там, де звичайні теорії вже не працюють.

Теоретична робота закладає фундамент для нещодавніх експериментів, у яких цей стан уже реалізували за допомогою квантової симуляції з холодними атомами. Окрема стаття, що описує експериментальне підтвердження «дробових морів Фермі», наразі перебуває на рецензуванні.

FAQ

Це підтверджена фаза матерії чи поки що лише теорія?

Опис «дробового моря Фермі» має теоретичну основу і пов’язаний із нещодавніми експериментами з ультрахолодними атомами. Теоретична стаття вже опублікована, а робота, що детально описує експериментальну реалізацію цього стану, перебуває на розгляді, тож повна картина ще формується.

Чому вчені не бачили такого стану раніше?

У природних умовах системи зазвичай прагнуть до рівноваги, і подібні високо збуджені, але впорядковані стани швидко руйнуються. Лише з появою точного контролю над ультрахолодними атомами й можливістю циклічно змінювати взаємодії стало можливим «запрограмувати» таку екзотичну фазу.

Чи може це мати практичні застосування, наприклад у квантових технологіях?

Наразі йдеться насамперед про фундаментальне відкриття: новий тип критичного стану матерії. Однак подібні дослідження розширюють арсенал квантової інженерії та можуть у майбутньому вплинути на розробку квантових симуляторів і, можливо, нових квантових матеріалів.

Чим цей стан відрізняється від просто «гарячої» або хаотичної матерії?

Зазвичай високо збуджені стани асоціюються з безладом і тепловою рівновагою. У «дробовому морі Фермі» система теж сильно збуджена, але замість хаосу виникає впорядкована структура кореляцій. Це показує, що далеко від рівноваги матерія може організовуватися в несподівані, дуже структуровані квантові фази.

🤯 Нове «дробове море Фермі» нагадує, що навіть у найекстремальніших умовах квантовий світ не обов’язково скочується в хаос — він може вигадувати нові форми порядку, які не вписуються в наші звичні теорії. Кожен такий штучно створений стан — це ще одне вікно в те, як глибоко й несподівано може бути влаштована матерія, якщо навчитися тонко керувати її квантовими правилами.