1539
Дослідники показали, що незвичний клас квантових станів, відомих як «дробові фермі-моря», можна створювати цілеспрямовано. Про це йдеться в новому дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters. Роботу виконала група Негерля разом із фізиком-теоретиком Альвізе Бастіанелло з CNRS та Університету Париж-Дофін. Дослідження демонструє, як нова критична фаза матерії може виникати, коли квантові частинки виводять далеко за межі їхніх звичайних рівноважних умов.
Використавши надхолодні атоми цезію, обмежені в одному вимірі, науковці багаторазово змінювали, наскільки сильно частинки взаємодіють одна з одною. Отриманий стан виходить за межі поведінки, передбаченої відомою теорією рідини Томонаги-Латтінджера — наріжним каменем розуміння одновимірних квантових систем. Ця публікація дає теоретичну основу для нещодавніх експериментів у групі Ганса-Крістофа Негерля на кафедрі експериментальної фізики.
За дуже низьких температур квантові частинки зазвичай підкоряються суворим правилам розташування. «Ферміони, наприклад, акуратно «укладаються» в доступні енергетичні стани, утворюючи так зване фермі-море, — пояснює Бастіанелло. — Але що станеться, якщо змусити взаємодіючі атоми безперервно циклувати крізь екстремальні умови, плавно переходячи від сильного відштовхування до сильного притягання?»
Дослідники виявили, що ретельне повторення такого циклу взаємодії виводить атоми зі звичайного основного стану у надзвичайно збуджену, але напрочуд організовану конфігурацію. Цей стан вони назвали «дробовим» фермі-морем, бо частинки, схоже, підкоряються зменшеному правилу заповнення. «Замість того щоб просто нагрівати систему, цикл взаємодії реорганізовує атоми в новий багаточастинковий стан, — пояснює провідний автор Ї Цзен. — Це дає нам контрольований спосіб досліджувати квантову матерію за межами звичних рівноважних парадигм».
Новостворений стан має кілька незвичних характеристик. Математичні кореляції між частинками виявляють виражені «брижі» — так звані осциляції Фріделя — та особливу поведінку загасання за всіх рівнів відштовхувальної взаємодії. Найважливіше, що стан демонструє властивості, відмінні від очікуваних для рідин Томонаги-Латтінджера, які довго слугували стандартним описом одновимірної квантової матерії.
«Цей стан надзвичайно збуджений, але не випадковий, — зазначає керівник групи Ганнс-Крістоф Негерль. — У ньому є прихований порядок, що стає видимим у кореляціях». Він додає з часткою гумору: «Ми ще не певні, як назвати ці нові квазічастинки. Можливо, «супер-ферміони»?» Ці характерні ознаки вказують на присутність цілком нової екзотичної критичної фази.
Відкриття відкриває новий шлях для дослідження універсальної квантової поведінки за допомогою симуляторів на холодних атомах. «Відкриття дробових фермі-морів показує, як далеко ми можемо просунути квантову симуляцію: не лише відтворювати відомі моделі, а й створювати й досліджувати стани, що виходять за межі усталених парадигм», — підсумовує Негерль. Супровідна стаття, що описує експериментальну реалізацію дробових фермі-морів через квантову симуляцію, наразі перебуває на рецензуванні. Це ще один приклад того, як платформи з надхолодних атомів перетворюються на потужний інструмент для «конструювання» станів матерії, яких немає в природі.
