Физики создали новую экзотическую форму материи: «море Ферми»

При самых низких температурах во Вселенной материя начинает вести себя странно. Когда атомы охлаждаются до температуры чуть выше абсолютного нуля, они начинают проводить электричество без сопротивления, превращаться в облака «суперчастиц» или течь без трения и подниматься по стенкам сосудов.

Существование на самых мелких и холодных масштабах подчиняется законам квантовой статистики, которая определяет поведение бозонов и фермионов — двух семейств фундаментальных частиц, из которых, как считается, состоит всё во Вселенной.

Бозоны — это частицы, переносящие взаимодействия, такие как фотоны или бозон Хиггса. Множество таких частиц может занимать одно и то же квантовое состояние, а это означает, что неограниченное количество бозонов может «перекрываться» друг с другом и вести себя как когерентные волны.

Фермионы — это частицы, такие как электроны и кварки, из которых состоят протоны и нейтроны. Они не могут «перекрываться», поскольку согласно принципу исключения Паули в одном квантовом состоянии может находиться только один фермион — этот принцип 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 сравнивают с морем самоорганизованных частиц.

«Фермионы аккуратно располагаются в доступных энергетических состояниях, образуя так называемое „море Ферми“», — говорит Альвизе Бастианелло, физик-теоретик из Французского национального центра научных исследований (CNRS) и Университета Париж-Дофин. «Но что произойдёт, если заставить взаимодействующие атомы непрерывно циклически проходить через экстремальные условия и плавно переключать их из состояния сильного отталкивания друг от друга в состояние сильного притяжения?»

Чтобы это выяснить, исследователи сначала создали экзотическое состояние вещества, называемое газом Бозе. Оно представляло собой совокупность примерно 70 000 атомов цезия, охлаждённых до температуры всего в несколько нанокельвинов. В таких экстремальных условиях атомы теряют свою индивидуальность и начинают вести себя как нечто цельное.

Затем исследователи заключили это уникальное вещество в одномерные трубки, сформированные двумерной оптической решёткой — сетью лазеров, удерживающей атомы для их наблюдения.

Наконец, исследователи подвергли это вещество повторяющимся циклам взаимодействия, в ходе которых они заставляли составляющие его атомы сначала сильно отталкиваться, а затем притягиваться друг к другу.

Тем самым они создали совершенно новую, неожиданно экзотическую фазу квантовой материи — «дробное море Ферми».

Как уже упоминалось, бозоны могут занимать квантовые состояния без ограничений, а фермионы — нет. Поэтому «дробность» этого моря представляет собой нечто среднее, в котором квантовые состояния могут быть заняты лишь частично — механизм, который, возможно, проявляется только в экспериментах с низкими измерениями.

«Вместо того чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние», — говорит И Цзэн, физик-специалист по конденсированному состоянию из Университета Инсбрука в Австрии и ведущий автор исследования.

Руководитель исследования Ханнс-Кристоф Нэгерль, профессор Инсбрукского университета, специализирующийся на экспериментальной квантовой физике, объясняет: «Это состояние является высоковозбуждённым, но оно не является случайным. В нём присутствует скрытый порядок, который становится видимым в его корреляциях».

Учитывая необычайно сложные взаимодействия, в том числе заметные волны, называемые колебаниями Фриделя — «неопровержимое» доказательство существования дробного моря Ферми, — исследователи пока не уверены, как назвать эту лабильную материю.

«Мы пока не уверены, как следует назвать эти новые квазичастицы. Может быть, „суперфермионы“?» — предлагает Нэгерль.

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