Fizycy znowu to zrobili: odkryli nowy stan kwantowy, który ma doskonały sens na papierze i absolutnie żaden w mózgu normalnego człowieka. W badaniu opublikowanym w Physical Review Letters naukowcy pod kierownictwem Hannsa-Christopha Nägerla, we współpracy z fizykiem teoretycznym Alvise Bastianello z CNRS i Université Paris-Dauphine, opisali, jak wykreować egzotyczny stan kwantowy znany jako „frakcyjne morze Fermiego”. Sama nazwa brzmi jak odrzucona specjalność owoców morza, ale fizyka jest naprawdę dziwna.

Przełom polega na popychaniu ultrazimnych atomów cezu daleko poza ich normalne warunki poprzez wielokrotne zmienianie siły, z jaką się przyciągają lub odpychają. Zamiast po prostu popadać w nieład – co większość z nas robi pod powtarzającym się stresem – cząstki przestawiają się w nietypową konfigurację, która zachowuje się inaczej niż tradycyjnie badane układy kwantowe. Teoretyczne ustalenia stanowią podstawę niedawnych badań eksperymentalnych przeprowadzonych przez zespół Nägerla w Katedrze Fizyki Eksperymentalnej.

W zwykłych warunkach cząstki kwantowe podlegają dobrze ustalonym regułom określającym, jak się układają, szczególnie w ekstremalnie niskich temperaturach. Ważnym przykładem są fermiony, kategoria cząstek obejmująca elektrony. Cząstki te nie mogą wszystkie zajmować tego samego stanu kwantowego, więc wypełniają dostępne poziomy energii zgodnie z określonymi ograniczeniami. W bardzo niskich temperaturach takie ułożenie tworzy to, co fizycy nazywają morzem Fermiego. Jest uporządkowane, przewidywalne i – bądźmy szczerzy – trochę nudne.

Ale co się dzieje, gdy badacze celowo zakłócają warunki, które normalnie rządzą zachowaniem cząstek? Jak wyjaśnia Alvise Bastianello: „Fermiony, na przykład, układają się równo w dostępnych stanach energetycznych, tworząc tak zwane 'morze Fermiego'. Ale co się dzieje, gdy zmusza się oddziałujące atomy do ciągłego cyklu przez ekstremalne warunki, płynnie przechodząc od silnego odpychania do silnego przyciągania?” To kwantowy odpowiednik pytania, co się stanie, jeśli będziesz ciągle przełączać włącznik bardzo małej, bardzo zdezorientowanej żarówki.

Aby zbadać tę możliwość, naukowcy zbadali ultrazimne atomy cezu zamknięte w układzie jednowymiarowym. Oznacza to, że atomy są ograniczone do poruszania się w jednym kierunku, tworząc środowisko, w którym ich oddziaływania kwantowe można badać z wyjątkową kontrolą. Zespół zbadał, co się dzieje, gdy oddziaływania między tymi atomami są wielokrotnie regulowane, cyklicznie między silnym odpychaniem a przyciąganiem.

Ich obliczenia ujawniły coś nieoczekiwanego. Wychodząc od stanu podstawowego, najniższej konfiguracji energetycznej dostępnej dla układu, atomy można wprowadzić w stan wysoko wzbudzony bez utraty ich podstawowej organizacji. Naukowcy nazywają ten nietypowy układ frakcyjnym morzem Fermiego, ponieważ jego cząstki wydają się podlegać zmodyfikowanej regule określającej obsadzanie stanów kwantowych.

„Zamiast po prostu podgrzewać układ, cykl oddziaływań reorganizuje atomy w nowy stan wielociałowy” – mówi Yi Zeng, główny autor badania. „Daje nam to kontrolowany sposób badania materii kwantowej poza zwykłymi paradygmatami równowagi”. Innymi słowy, potrząsnęli kwantowym Etch A Sketch i otrzymali arcydzieło zamiast bałaganu.

Jedną z najbardziej intrygujących cech frakcyjnego morza Fermiego jest to, że jego cząstki pozostają zorganizowane, mimo że układ został wypchnięty daleko od równowagi. W fizyce równowaga opisuje stan, w którym ogólne właściwości układu ustabilizowały się w stabilnej równowadze. Układy dalekie od równowagi mogą zachowywać się w skomplikowany i nieoczekiwany sposób, co czyni je szczególnie trudnymi do zrozumienia. Jednak frakcyjne morze Fermiego nie jest po prostu zbiorem wzbudzonych cząstek zachowujących się losowo. Zamiast tego zawiera charakterystyczne wzory matematyczne, które ujawniają głębsze...