При самых низких температурах во Вселенной физика начинает вести себя совсем не так, как в обычной жизни.
Если охладить атомы почти до абсолютного нуля — минус 273,15 °C, — материя может проявлять странные свойства: проводить электричество без сопротивления, превращаться в единое «облако» частиц или течь без трения, даже поднимаясь по стенкам сосуда.
На таких масштабах всем управляет квантовая статистика. Она описывает поведение двух больших групп частиц — бозонов и фермионов.
Бозоны, например фотоны или бозон Хиггса, могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Проще говоря, они способны как бы накладываться друг на друга и вести себя как согласованные волны.
Фермионы устроены иначе. К ним относятся электроны и кварки, из которых состоят протоны и нейтроны. Такие частицы не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Это известно как принцип запрета Паули. Именно он, среди прочего, помогает объяснить, почему нейтронные звезды и белые карлики не схлопываются в бесконечно маленькие черные дыры.
Теперь физики использовали эти принципы, чтобы экспериментально и теоретически описать необычную новую фазу квантовой материи. Ее сравнивают с морем самоорганизующихся частиц.
По словам физика-теоретика Альвизе Бастианелло из Французского национального центра научных исследований и Университета Париж-Дофин, фермионы обычно аккуратно заполняют доступные энергетические состояния, образуя так называемое «ферми-море». Но исследователи решили проверить, что произойдет, если заставить взаимодействующие атомы постоянно проходить через экстремальные условия: сначала сильно отталкиваться друг от друга, а затем сильно притягиваться.
Для эксперимента ученые сначала создали экзотическое состояние материи под названием бозе-газ. Оно состояло примерно из 70 000 атомов цезия, охлажденных до температуры всего в несколько нанокельвинов — то есть до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.
В таких условиях атомы теряют свою отдельность и начинают вести себя почти как единое размытое целое.
Затем это вещество поместили в одномерные трубки, созданные с помощью двумерной оптической решетки. По сути, это сеть лазеров, которая удерживает атомы и позволяет наблюдать за ними.
После этого исследователи начали снова и снова менять взаимодействие между атомами: сначала заставляли их сильно отталкиваться, затем — сильно притягиваться.
Так появилась новая и неожиданно экзотическая фаза квантовой материи — дробное ферми-море.
Обычно бозоны могут занимать квантовые состояния без ограничений, а фермионы — нет. Поэтому «дробность» этого нового состояния выглядит как нечто промежуточное: квантовые состояния могут быть заняты только частично. По мнению исследователей, такой механизм может проявляться только в экспериментах с пониженной размерностью.
Еще более странным оказалось то, что циклы притяжения и отталкивания не просто нагревали систему и не разбрасывали частицы случайным образом. Вместо этого атомы перестраивались в новое многочастичное состояние.
Ведущий автор исследования И Цзэн из Университета Инсбрука объясняет, что цикл взаимодействий не просто «разогревает» систему, а реорганизует атомы в новое состояние.
Руководитель работы Ханнс-Кристоф Нэгерль, профессор Университета Инсбрука и специалист по экспериментальной квантовой физике, говорит, что это состояние сильно возбуждено, но не случайно. В нем есть скрытый порядок, который становится заметен в корреляциях.
Исследователи заметили и другие необычные признаки, включая волны, похожие на так называемые осцилляции Фриделя. Их называют ключевым доказательством существования дробного ферми-моря.
Пока ученые даже не уверены, как правильно назвать новые квазичастицы. Нэгерль предполагает, что, возможно, их можно было бы назвать «суперфермионами».
Этот эксперимент открывает новый способ изучать квантовые системы из холодных атомов. Он помогает исследовать, как привычная нам реальность может возникать из странных процессов, происходящих на самых фундаментальных уровнях.
По словам Нэгерля, открытие дробных ферми-морей показывает, насколько далеко можно продвинуть квантовое моделирование: не только воспроизводить уже известные модели, но и создавать состояния, которые выходят за рамки привычных представлений.
В будущем такая работа может помочь развивать квантовые информационные технологии и сверхточные измерения. Исследователи считают, что это может быть важно для обработки данных, материаловедения, биомедицины, шифрования и других областей.
Исследование опубликовано в Physical Review Letters и доступно на сервере препринтов arXiv.
