物理学者がまたやらかした。紙の上では完璧に筋が通るが、普通の人間の脳には全く理解できない新しい量子状態を発見したのだ。Physical Review Lettersに掲載された研究で、ハンス＝クリストフ・ネーゲル率いる研究チームは、CNRSとパリ・ドーフィーヌ大学の理論物理学者アルヴィーゼ・バスティアネッロと協力し、「分数量子フェルミ海」として知られるエキゾチックな量子状態を設計する方法を記述した。名前だけ聞くと海鮮料理の没メニューみたいだが、物理は本当に奇妙だ。

このブレークスルーは、超低温のセシウム原子を、互いに引き合う力や反発する力を繰り返し変化させることで通常の条件をはるかに超えて押しやるものだ。ほとんどの人間が繰り返しのストレスで単に秩序を失うのとは違い、粒子は科学者が伝統的に研究してきた量子系とは異なる振る舞いをする珍しい配置に自らを再編成する。理論的発見は、ネーゲル率いる実験物理学部門のチームが最近行った実験研究の基盤を提供する。

通常の条件下では、量子粒子は特に極低温で、自身の配置を決定する確立された規則に従う。重要な例として、電子を含む粒子のカテゴリーであるフェルミオンがある。これらの粒子はすべて同じ量子状態を占めることはできず、特定の制限に従って利用可能なエネルギー準位を埋める。極低温では、この配置が物理学者の言うフェルミ海を生み出す。秩序的で予測可能で、正直に言えば少し退屈だ。

しかし、研究者が粒子の振る舞いを通常支配する条件を意図的に乱したらどうなるだろうか？アルヴィーゼ・バスティアネッロはこう説明する。「例えばフェルミオンは、利用可能なエネルギー状態にきちんと積み重なり、いわゆる『フェルミ海』を形成します。しかし、相互作用する原子を極端な条件の間で連続的に循環させ、強い反発から強い引力へと滑らかに移行させたらどうなるでしょうか？」これは、非常に小さくて非常に混乱した電球のスイッチを入れ続けたらどうなるかを問う量子版だ。

この可能性を調査するため、研究者たちは一次元系に閉じ込められた超低温セシウム原子を研究した。つまり原子は単一方向に沿ってのみ移動するように制限され、量子相互作用を卓越した制御で研究できる環境を作り出す。チームは、これらの原子間の相互作用が繰り返し調整され、強力な反発と引力の間を循環するときに何が起こるかを調べた。

彼らの計算は予想外のことを明らかにした。系が利用できる最低エネルギー配置である基底状態から始めて、原子はその根底にある組織を失うことなく、高度に励起された状態へと駆り立てられる可能性がある。研究者たちはこの珍しい配置を分数量子フェルミ海と呼ぶ。その粒子が量子状態の占有を支配する修正された規則に従っているように見えるからだ。

「系を単に加熱するのではなく、相互作用サイクルが原子を新しい多体状態に再編成します」と、本研究の筆頭著者であるイー・ゼンは言う。「これにより、通常の平衡パラダイムを超えた量子物質を探求する制御された方法が得られます。」言い換えれば、彼らは量子版エッチ・ア・スケッチを振ったら、めちゃくちゃではなく傑作ができたのだ。

分数量子フェルミ海の最も興味深い特徴の一つは、系が平衡から遠く押しやられているにもかかわらず、その粒子が組織化されたままであることだ。物理学では、平衡とは系の全体的な性質が安定したバランスに落ち着いた状態を指す。平衡から遠く駆り立てられた系は複雑で予期せぬ振る舞いをし、理解が特に困難になる。しかし分数量子フェルミ海は、単にランダムに振る舞う励起粒子の集まりではない。代わりに、より深い何かを明らかにする独特の数学的パターンを含んでいる。