Фізики створили «фракційне море Фермі», де частинки порушують звичні правила

Уявіть собі матерію, у якій частинки поводяться так, ніби одночасно й дотримуються квантових правил, і трохи їх порушують. Саме таку дивну «проміжну» фазу створили фізики, отримавши нову форму матерії — фракційне море Фермі, про яке розповідає ScienceAlert. У цьому стані квантові стани ніби заповнюються не повністю, а «на частку», чого не має бути ні в класичних бозонах, ні в ферміонах.

Що відомо коротко

• Дослідники використали приблизно 70 000 атомів цезію, охолоджених до кількох нанокельвінів — мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля.
• Спершу вони створили бозе-газ — хмару атомів, що поводяться як єдиний квантовий об’єкт.
• Атоми помістили в одновимірні «трубки», сформовані оптичною ґраткою з лазерів, щоб контролювати їхній рух.
• Систему змушували циклічно переходити від сильної взаємної відштовхувальної до сильної приваблювальної взаємодії між атомами.
• У результаті виникла нова фаза — фракційне море Фермі, де квантові стани заповнюються частково й проявляються так звані коливання Фріделя.

Чому «море Фермі» взагалі існує

У квантовому світі всі частинки поділяються на два великі «роди» — бозони і ферміони. Це схоже на дві різні черги в супермаркеті: в одній можна втиснутися скільки завгодно людей, а в іншій — тільки по одному в кожну клітинку.

Бозони, як-от фотони чи бозон Гіґґса, можуть перебувати в одному й тому ж квантовому стані скільки завгодно разів, накладаючись, наче хвилі. Ферміони — електрони, кварки та інші подібні частинки — підкоряються принципу заборони Паулі: лише один ферміон на квантовий стан. Саме з такого впорядкованого «укладання по місцях» і виникає те, що фізики називають морем Фермі — усі низькоенергетичні стани заповнені, як щільно заставлена шафа.

У звичних умовах бозони й ферміони грають за своїми чіткими правилами. Але у новому експерименті вчені змусили систему поводитися так, ніби між цими правилами виникла дивна «сіра зона».

Як з бозе-газу зробили фракційне море Фермі

Команда спочатку створила бозе-газ — стан матерії, у якому близько 70 тисяч атомів цезію охолоджено до температури всього кількох нанокельвінів. Це настільки холодно, що окремі атоми наче втрачають свою індивідуальність і поводяться як одна «квантова хмара».

Далі цей бозе-газ затиснули в одновимірні квантові «трубки». Їх створили за допомогою двовимірної оптичної ґратки — сітки з лазерного світла, яка утворює пастки для атомів і дозволяє спостерігати за ними та керувати ними з великою точністю.

Ключовий крок — це цикли взаємодій. Фізики почергово змушували атоми сильно відштовхуватися, а потім так само сильно притягуватися одне до одного. Інтуїтивно можна було б очікувати, що такі «струси» просто нагріють систему й розкидають частинки як попало.

Але сталося протилежне. За словами конденсованого фізика матерії Ї Цзена (Yi Zeng) з Університету Інсбрука, замість простого нагрівання цикл взаємодій реорганізував атоми в новий колективний стан. Система залишилася сильно збудженою, але не хаотичною — у ній з’явився прихований порядок, який виявляється через кореляції між частинками.

Що таке фракційне море Фермі

У звичайному морі Фермі кожен дозволений квантовий стан або зайнятий ферміоном, або вільний. Тобто все чорно-біло: «є частинка» чи «немає частинки». У створеній в лабораторії новій фазі це правило ніби порушується.

Дослідники виявили стан, який вони описують як фракційне море Фермі. Його особливість у тому, що квантові стани виглядають частково заповненими: не зовсім по-бозонному, але й не по-ферміонному. Це щось середнє, «фракційне», що, за версією вчених, може виникати саме в низьковимірних квантових системах на кшталт їхніх одновимірних трубок.

Додатковою ознакою стали так звані коливання Фріделя — хвилеподібні «ряби» в розподілі щільності частинок. Дослідники називають їх «димовою гарматою» — вирішальним доказом того, що вони справді спостерігають фракційне море Фермі, а не якусь звичайнішу фазу.

Керівник дослідження Ганс-Крістоф Неґерль (Hanns-Christoph Nägerl) з Університету Інсбрука підкреслює, що новий стан сильно збуджений, але впорядкований: його структура стає видимою саме через кореляції між атомами. Самі дослідники ще не визначилися з назвою для відповідних квазічастинок — Неґерль навіть жартома пропонує варіант «супер-ферміони».

Навіщо нам таке дивне море та що воно дає

На перший погляд, це здається чистою екзотикою: надхолодні атоми цезію в лазерних пастках, дивні проміжні стани, прихований порядок. Але для фізиків такі системи — це квантові симулятори, свого роду модельні всесвіти в мініатюрі.

Новий експеримент показує, наскільки далеко можна «дотягнутися» завдяки таким симуляціям: не лише відтворювати вже відомі квантові моделі, а й створювати й досліджувати стани, що виходять за межі усталених парадигм. Це відкриває шлях до глибшого розуміння того, як із квантової «дивини» на фундаментальному рівні формується наша звична макрореальність.

Автори припускають, що подальше вивчення подібних фаз може сприяти розвитку квантових інформаційних технологій та сенсорики. Ідеться про більш точні вимірювання, потужніші схеми опрацювання даних, а в перспективі — нові матеріали, інструменти для біомедицини та удосконалені методи шифрування інформації.

FAQ

Це вже підтверджена фаза матерії чи лише гіпотеза?

Дослідники провели конкретний експеримент, описали властивості нового стану та вказали на характерні ознаки, як-от коливання Фріделя. Але сама інтерпретація як «фракційне море Фермі» — це нова концепція, яку ще потрібно перевіряти й уточнювати в подальших роботах.

Чому такий стан вдається побачити лише в низьких розмірностях?

В одновимірних системах квантові флуктуації та взаємодії між частинками проявляються значно сильніше й по-іншому, ніж у тривимірному просторі. Це створює умови для появи екзотичних станів, які в трьох вимірах або нестійкі, або маскуються іншими ефектами.

Чи можна буде використати фракційне море Фермі в реальних технологіях?

Наразі це фундаментальне дослідження. Однак подібні роботи розширюють «інструментарій» квантової фізики та дають нові моделі для створення квантових сенсорів, обчислювальних схем чи матеріалів із заданими властивостями. Практичні застосування можуть з’явитися пізніше, коли вчені навчаться керувати такими станами надійно й відтворювано.

Чому замість нагрівання система впорядковується?

Циклічні імпульси взаємодій не просто додають енергію системі, а «перескладають» її внутрішню структуру. У результаті багато частинок починають діяти як один злагоджений квантовий об’єкт із прихованим порядком, а не як випадковий набір окремих атомів.

🤯 Новий експеримент показує, що навіть «порожнє» квантове море можна зробити фракційним, якщо достатньо тонко керувати взаємодіями між частинками — і це змушує по-новому подивитися на те, наскільки гнучкими можуть бути самі закони матерії, коли ми підходимо до їхніх гранично квантових, ультрахолодних рубежів.