Международная группа физиков показала, что можно целенаправленно создавать ранее неизвестный класс квантовых состояний – так называемые «дробные моря Ферми». Это новая критическая фаза материи, которая возникает, когда квантовые частицы выводят далеко за пределы их равновесного состояния. Результаты исследования, проведённого совместно с теоретиком Алвизе Бастианелло из CNRS и Парижского университета Дофин, опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В ходе эксперимента учёные из группы Ханса-Кристофа Нэгерля использовали атомы цезия, охлаждённые до сверхнизких температур. Их движение ограничили одним измерением, после чего начали циклически изменять силу взаимодействия между частицами – от сильного отталкивания до сильного притяжения. В ответ на такое воздействие система не просто нагревалась, а самопроизвольно перестраивалась в высоковозбуждённое, но при этом упорядоченное состояние.
Обычно при низких температурах квантовые частицы-фермионы последовательно занимают доступные энергетические уровни, формируя так называемое «море Ферми». Новое состояние назвали «дробным», поскольку в нём частицы, по-видимому, подчиняются иному, сокращённому правилу заполнения уровней. «Вместо того чтобы просто нагреть систему, циклы взаимодействия реорганизуют атомы в новое многочастичное состояние», – поясняет ведущий автор исследования Йи Цзэн.
Поведение «дробного моря Ферми» не укладывается в рамки общепринятой теории жидкости Томонаги – Латтинжера, которая десятилетиями служила стандартом для описания одномерных квантовых систем. У нового состояния есть скрытый порядок, который проявляется в корреляциях между частицами. Анализ этих корреляций выявил отчётливые волновые возмущения, известные как осцилляции Фриделя. «Это состояние сильно возбуждено, но не хаотично, – говорит руководитель группы Ханс-Кристоф Нэгерль. – Мы пока не уверены, как назвать эти новые квазичастицы. Может быть, «суперфермионы»?»
Открытие открывает новые возможности для исследования универсальных квантовых явлений при помощи симуляторов на холодных атомах. Оно показывает, что квантовое моделирование позволяет не только воспроизводить известные модели, но и создавать и изучать состояния, выходящие за рамки устоявшихся парадигм. В настоящее время проходит рецензирование вторая статья, в которой описывается экспериментальное получение «дробных морей Ферми».
