Fysici hebben het weer eens gedaan: ze hebben een nieuwe kwantumtoestand ontdekt die op papier volkomen logisch is en in het brein van een normaal mens absoluut niet. In een studie gepubliceerd in Physical Review Letters beschrijven onderzoekers onder leiding van Hanns-Christoph Nägerl, samen met theoretisch fysicus Alvise Bastianello van het CNRS en de Université Paris-Dauphine, hoe je een exotische kwantumtoestand kunt creëren die bekend staat als een 'fractionele fermizee'. De naam alleen al klinkt als een afgekeurde zeevruchtenspecial, maar de fysica is werkelijk bizar.

De doorbraak houdt in dat ultrakoude cesiumatomen ver buiten hun normale omstandigheden worden geduwd door herhaaldelijk te veranderen hoe sterk ze elkaar aantrekken of afstoten. In plaats van simpelweg wanordelijk te worden – wat de meesten van ons doen onder herhaalde stress – herschikken de deeltjes zich in een ongebruikelijke configuratie die zich anders gedraagt dan de kwantumsystemen die wetenschappers traditioneel hebben bestudeerd. De theoretische bevindingen vormen de basis voor recent experimenteel onderzoek uitgevoerd door Nägerls team bij de Afdeling Experimentele Fysica.

Onder normale omstandigheden volgen kwantumdeeltjes gevestigde regels die bepalen hoe ze zich rangschikken, vooral bij extreem lage temperaturen. Een belangrijk voorbeeld betreft fermionen, een categorie deeltjes waartoe ook elektronen behoren. Deze deeltjes kunnen niet allemaal dezelfde kwantumtoestand bezetten, dus vullen ze beschikbare energieniveaus volgens specifieke beperkingen. Bij zeer lage temperaturen levert deze rangschikking op wat fysici een fermizee noemen. Het is ordelijk, voorspelbaar en – laten we eerlijk zijn – een beetje saai.

Maar wat gebeurt er als onderzoekers opzettelijk de omstandigheden verstoren die normaal het gedrag van deeltjes bepalen? Zoals Alvise Bastianello uitlegt: "Fermionen stapelen zich bijvoorbeeld netjes in de beschikbare energietoestanden om de zogenaamde 'fermizee' te vormen. Maar wat gebeurt er als je interacterende atomen dwingt om continu extreme omstandigheden te doorlopen, waarbij ze soepel verschuiven van sterke afstoting naar sterke aantrekking?" Het is het kwantumequivalent van de vraag wat er gebeurt als je de schakelaar blijft omzetten op een heel klein, heel verward gloeilampje.

Om deze mogelijkheid te onderzoeken, bestudeerden de onderzoekers ultrakoude cesiumatomen opgesloten in een eendimensionaal systeem. Dit betekent dat de atomen beperkt zijn tot beweging in één richting, waardoor een omgeving ontstaat waarin hun kwantuminteracties met uitzonderlijke controle kunnen worden bestudeerd. Het team onderzocht wat er gebeurt wanneer de interacties tussen deze atomen herhaaldelijk worden aangepast, waarbij ze cyclussen doorlopen tussen krachtige afstoting en aantrekking.

Hun berekeningen onthulden iets onverwachts. Uitgaande van de grondtoestand, de laagst mogelijke energieconfiguratie van het systeem, konden de atomen in een sterk aangeslagen toestand worden gebracht zonder hun onderliggende organisatie te verliezen. De onderzoekers noemen deze ongebruikelijke rangschikking een fractionele fermizee omdat de deeltjes lijken te gehoorzamen aan een aangepaste regel voor de bezetting van kwantumtoestanden.

"In plaats van het systeem simpelweg te verwarmen, herorganiseert de interactiecyclus de atomen in een nieuwe veeldeeltjestoestand," zegt Yi Zeng, de hoofdauteur van deze studie. "Dit geeft ons een gecontroleerde manier om kwantummaterie te verkennen buiten de gebruikelijke evenwichtsparadigma's." Met andere woorden, ze schudden de kwantum-Etch A Sketch en kregen een meesterwerk in plaats van een puinhoop.

Een van de meest intrigerende kenmerken van de fractionele fermizee is dat de deeltjes georganiseerd blijven, zelfs nadat het systeem ver uit evenwicht is gebracht. In de natuurkunde beschrijft evenwicht een toestand waarin de algemene eigenschappen van een systeem tot een stabiel balans zijn gekomen. Systemen die ver uit evenwicht worden gebracht, kunnen zich op ingewikkelde en onverwachte manieren gedragen, waardoor ze bijzonder moeilijk te begrijpen zijn. Toch is de fractionele fermizee niet zomaar een verzameling aangeslagen deeltjes die zich willekeurig gedragen. In plaats daarvan bevat het kenmerkende wiskundige patronen die een diepere...