Физики снова за своё: они открыли новое квантовое состояние, которое прекрасно сходится на бумаге и абсолютно не укладывается в голове нормального человека. В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, группа под руководством Ханнса-Кристофа Негерля совместно с физиком-теоретиком Альвизе Бастианелло из CNRS и Университета Париж-Дофин описала, как сконструировать экзотическое квантовое состояние, известное как «дробное море Ферми». Название звучит как отвергнутое блюдо из морепродуктов, но физика здесь по-настоящему странная.\n\nПрорыв заключается в том, что ультрахолодные атомы цезия выталкиваются далеко за пределы их нормальных условий путём многократного изменения силы их притяжения или отталкивания. Вместо того чтобы просто стать неупорядоченными — что большинство из нас делает под повторяющимся стрессом — частицы перестраиваются в необычную конфигурацию, которая ведёт себя иначе, чем традиционно изучаемые квантовые системы. Теоретические выводы обеспечивают основу для недавних экспериментальных исследований, проведённых командой Негерля на кафедре экспериментальной физики.\n\nВ обычных условиях квантовые частицы следуют хорошо установленным правилам, определяющим, как они располагаются, особенно при чрезвычайно низких температурах. Важный пример касается фермионов — категории частиц, включающей электроны. Эти частицы не могут все занимать одно и то же квантовое состояние, поэтому они заполняют доступные энергетические уровни в соответствии с определёнными ограничениями. При очень низких температурах такое расположение создаёт то, что физики называют морем Ферми. Это упорядоченно, предсказуемо и — будем честны — немного скучно.\n\nНо что происходит, когда исследователи намеренно нарушают условия, которые обычно управляют поведением частиц? Как объясняет Альвизе Бастианелло: «Фермионы, например, аккуратно укладываются в доступные энергетические состояния, образуя так называемое "море Ферми". Но что произойдёт, если заставить взаимодействующие атомы непрерывно проходить через экстремальные условия, плавно переключая их от сильного отталкивания друг от друга к сильному притяжению?» Это квантовый эквивалент вопроса о том, что случится, если постоянно щёлкать выключателем очень маленькой и очень сбитой с толку лампочки.\n\nЧтобы исследовать эту возможность, учёные изучали ультрахолодные атомы цезия, ограниченные одномерной системой. Это означает, что атомы могут двигаться только в одном направлении, создавая среду, в которой их квантовые взаимодействия можно изучать с исключительным контролем. Команда исследовала, что происходит, когда взаимодействия между этими атомами многократно регулируются, циклически переключаясь между мощным отталкиванием и притяжением.\n\nИх расчёты выявили нечто неожиданное. Начиная с основного состояния — конфигурации с наименьшей энергией, доступной системе — атомы можно перевести в высоковозбуждённое состояние, не теряя их лежащей в основе организации. Исследователи называют это необычное расположение дробным морем Ферми, потому что его частицы, по-видимому, подчиняются модифицированному правилу, определяющему заполнение квантовых состояний.\n\n«Вместо простого нагрева системы цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние, — говорит И Цзэн, ведущий автор исследования. — Это даёт нам контролируемый способ исследовать квантовую материю за пределами обычных равновесных парадигм». Иными словами, они встряхнули квантовый волшебный экран и получили шедевр вместо беспорядка.\n\nОдна из самых интригующих особенностей дробного моря Ферми заключается в том, что его частицы остаются организованными, даже когда система выведена далеко из равновесия. В физике равновесие описывает состояние, в котором общие свойства системы пришли к стабильному балансу. Системы, выведенные далеко из равновесия, могут вести себя сложным и неожиданным образом, что делает их особенно трудными для понимания. Однако дробное море Ферми — это не просто совокупность возбуждённых частиц, ведущих себя случайным образом. Вместо этого оно содержит характерные математические структуры, раскрывающие более глубокую...