Physiker haben es wieder getan: Sie haben einen neuen Quantenzustand entdeckt, der auf dem Papier vollkommen sinnvoll erscheint und im Gehirn eines Normalsterblichen absolut keinen Sinn ergibt. In einer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie beschreiben Forscher unter der Leitung von Hanns-Christoph Nägerl, die mit dem theoretischen Physiker Alvise Bastianello vom CNRS und der Université Paris-Dauphine zusammenarbeiteten, wie man einen exotischen Quantenzustand erzeugen kann, der als „fraktionales Fermi-Meer“ bekannt ist. Der Name allein klingt wie ein abgelehntes Meeresfrüchte-Spezialangebot, aber die Physik ist wirklich seltsam.

Der Durchbruch besteht darin, ultrakalte Cäsiumatome weit über ihre normalen Bedingungen hinaus zu treiben, indem man wiederholt ändert, wie stark sie sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Statt einfach ungeordnet zu werden – was die meisten von uns unter wiederholtem Stress tun – ordnen sich die Teilchen in einer ungewöhnlichen Konfiguration neu an, die sich anders verhält als die traditionell untersuchten Quantensysteme. Die theoretischen Erkenntnisse bilden die Grundlage für aktuelle experimentelle Forschungen, die von Nägerls Team am Department für Experimentalphysik durchgeführt wurden.

Unter normalen Bedingungen folgen Quantenteilchen etablierten Regeln, die bestimmen, wie sie sich anordnen, insbesondere bei extrem niedrigen Temperaturen. Ein wichtiges Beispiel betrifft Fermionen, eine Teilchenkategorie, zu der auch Elektronen gehören. Diese Teilchen können nicht alle denselben Quantenzustand besetzen, daher füllen sie verfügbare Energieniveaus nach bestimmten Einschränkungen. Bei sehr niedrigen Temperaturen erzeugt diese Anordnung das, was Physiker ein Fermi-Meer nennen. Es ist geordnet, vorhersehbar und – seien wir ehrlich – ein bisschen langweilig.

Aber was passiert, wenn Forscher absichtlich die Bedingungen stören, die normalerweise das Verhalten von Teilchen bestimmen? Wie Alvise Bastianello erklärt: „Fermionen beispielsweise stapeln sich ordentlich in die verfügbaren Energiezustände und bilden das sogenannte ‚Fermi-Meer‘. Aber was passiert, wenn man wechselwirkende Atome zwingt, kontinuierlich extreme Bedingungen zu durchlaufen und sie reibungslos von starker Abstoßung zu starker Anziehung zu verschieben?“ Es ist das Quantenäquivalent der Frage, was passiert, wenn man den Schalter an einer sehr kleinen, sehr verwirrten Glühbirne immer wieder umlegt.

Um diese Möglichkeit zu untersuchen, studierten die Forscher ultrakalte Cäsiumatome, die in einem eindimensionalen System eingeschlossen sind. Das bedeutet, die Atome sind darauf beschränkt, sich entlang einer einzigen Richtung zu bewegen, wodurch eine Umgebung geschaffen wird, in der ihre Quantenwechselwirkungen mit außergewöhnlicher Kontrolle untersucht werden können. Das Team untersuchte, was passiert, wenn die Wechselwirkungen zwischen diesen Atomen wiederholt angepasst werden und zwischen starker Abstoßung und Anziehung wechseln.

Ihre Berechnungen offenbarten etwas Unerwartetes. Ausgehend vom Grundzustand, der niedrigsten verfügbaren Energiekonfiguration des Systems, konnten die Atome in einen hoch angeregten Zustand getrieben werden, ohne ihre zugrunde liegende Organisation zu verlieren. Die Forscher nennen diese ungewöhnliche Anordnung ein fraktionales Fermi-Meer, weil ihre Teilchen einer modifizierten Regel zu gehorchen scheinen, die die Besetzung von Quantenzuständen bestimmt.

„Anstatt das System einfach zu erhitzen, reorganisiert der Wechselwirkungszyklus die Atome in einen neuen Vielteilchenzustand“, sagt Yi Zeng, der Hauptautor dieser Studie. „Das gibt uns eine kontrollierte Möglichkeit, Quantenmaterie jenseits der üblichen Gleichgewichtsparadigmen zu erforschen.“ Mit anderen Worten: Sie schüttelten das quantenmechanische Etch A Sketch und erhielten ein Meisterwerk statt eines Durcheinanders.

Eine der faszinierendsten Eigenschaften des fraktionalen Fermi-Meeres ist, dass seine Teilchen organisiert bleiben, obwohl das System weit vom Gleichgewicht entfernt wurde. In der Physik beschreibt das Gleichgewicht einen Zustand, in dem sich die Gesamteigenschaften eines Systems in ein stabiles Gleichgewicht eingependelt haben. Systeme, die weit vom Gleichgewicht entfernt getrieben werden, können sich auf komplizierte und unerwartete Weise verhalten, was sie besonders schwierig zu verstehen macht. Doch das fraktionale Fermi-Meer ist nicht einfach eine Ansammlung angeregter Teilchen, die sich zufällig verhalten. Stattdessen enthält es charakteristische mathematische Muster, die eine tiefere