Fizicienii au făcut-o din nou: au descoperit o nouă stare cuantică care are perfect sens pe hârtie și absolut niciunul în creierul unui om normal. Într-un studiu publicat în Physical Review Letters, cercetătorii conduși de Hanns-Christoph Nägerl, lucrând cu fizicianul teoretician Alvise Bastianello de la CNRS și Université Paris-Dauphine, au descris cum să proiectezi o stare cuantică exotică cunoscută sub numele de „mare Fermi fracționară”. Numele sună ca o specialitate de fructe de mare respinsă, dar fizica este cu adevărat stranie.

Descoperirea implică împingerea atomilor de cesiu ultrareci dincolo de condițiile lor normale, schimbând în mod repetat cât de puternic se atrag sau se resping unii pe alții. În loc să devină pur și simplu dezordonați – ceea ce facem majoritatea dintre noi sub stres repetat – particulele se rearanjează într-o configurație neobișnuită care se comportă diferit față de sistemele cuantice studiate în mod tradițional de oamenii de știință. Descoperirile teoretice oferă fundația pentru cercetarea experimentală recentă condusă de echipa lui Nägerl la Departamentul de Fizică Experimentală.

În condiții obișnuite, particulele cuantice urmează reguli bine stabilite care determină modul în care se aranjează, în special la temperaturi extrem de scăzute. Un exemplu important implică fermionii, o categorie de particule care include electronii. Aceste particule nu pot ocupa toate aceeași stare cuantică, așa că umplu nivelurile de energie disponibile conform unor restricții specifice. La temperaturi foarte scăzute, acest aranjament produce ceea ce fizicienii numesc o mare Fermi. Este ordonată, previzibilă și – să fim sinceri – cam plictisitoare.

Dar ce se întâmplă când cercetătorii perturbă în mod deliberat condițiile care guvernează în mod normal comportamentul particulelor? După cum explică Alvise Bastianello: „Fermionii, de exemplu, se stivuiesc ordonat în stările de energie disponibile pentru a forma așa-numita 'mare Fermi'. Dar ce se întâmplă dacă forțezi atomii care interacționează să treacă în mod continuu prin condiții extreme, trecându-i lin de la respingere puternică la atracție puternică?” Este echivalentul cuantic al întrebării ce se întâmplă dacă tot comuți un bec foarte mic și foarte confuz.

Pentru a investiga această posibilitate, cercetătorii au studiat atomi de cesiu ultrareci confinați într-un sistem unidimensional. Aceasta înseamnă că atomii sunt restricționați să se miște de-a lungul unei singure direcții, creând un mediu în care interacțiunile lor cuantice pot fi studiate cu un control excepțional. Echipa a examinat ce se întâmplă când interacțiunile dintre acești atomi sunt ajustate în mod repetat, ciclând între respingere puternică și atracție.

Calculele lor au dezvăluit ceva neașteptat. Pornind de la starea fundamentală, cea mai joasă configurație de energie disponibilă sistemului, atomii au putut fi conduși într-o stare foarte excitată fără a-și pierde organizarea subiacentă. Cercetătorii numesc acest aranjament neobișnuit o mare Fermi fracționară, deoarece particulele sale par să respecte o regulă modificată care guvernează ocuparea stărilor cuantice.

„În loc să încălzească pur și simplu sistemul, ciclul de interacțiune reorganizează atomii într-o nouă stare cu multe corpuri”, spune Yi Zeng, autorul principal al acestui studiu. „Aceasta ne oferă o modalitate controlată de a explora materia cuantică dincolo de paradigmele obișnuite de echilibru.” Cu alte cuvinte, au scuturat Etch A Sketch-ul cuantic și au obținut o capodoperă în loc de o mizerie.

Una dintre cele mai intrigante caracteristici ale mării Fermi fracționare este că particulele sale rămân organizate chiar dacă sistemul a fost împins departe de echilibru. În fizică, echilibrul descrie o condiție în care proprietățile generale ale unui sistem s-au stabilizat într-o balanță stabilă. Sistemele conduse departe de echilibru se pot comporta în moduri complicate și neașteptate, făcându-le deosebit de dificil de înțeles. Cu toate acestea, marea Fermi fracționară nu este pur și simplu o colecție de particule excitate care se comportă aleatoriu. În schimb, conține modele matematice distinctive care dezvăluie o înțelegere mai profundă.