Fysikerna har gjort det igen: de har upptäckt ett nytt kvanttillstånd som är fullständigt logiskt på papper och absolut inte i en normal människas hjärna. I en studie publicerad i Physical Review Letters beskriver forskare ledda av Hanns-Christoph Nägerl, i samarbete med teoretiske fysikern Alvise Bastianello vid CNRS och Université Paris-Dauphine, hur man konstruerar ett exotiskt kvanttillstånd känt som ett "fraktionellt Fermi-hav". Namnet låter som en avvisad specialitet från fiskdisken, men fysiken är genuint märklig.

Genombrottet innebär att man pressar ultrakalla cesiumatomer långt bortom sina normala förhållanden genom att upprepade gånger ändra hur starkt de attraherar eller stöter bort varandra. Istället för att helt enkelt bli oordnade – vilket är vad de flesta av oss blir under upprepad stress – arrangerar partiklarna om sig i en ovanlig konfiguration som beter sig annorlunda än de kvantsystem forskare traditionellt har studerat. De teoretiska resultaten utgör grunden för den senaste experimentella forskningen som utförts av Nägerls team vid Institutionen för experimentell fysik.

Under vanliga förhållanden följer kvantpartiklar väletablerade regler som bestämmer hur de arrangerar sig, särskilt vid extremt låga temperaturer. Ett viktigt exempel involverar fermioner, en kategori partiklar som inkluderar elektroner. Dessa partiklar kan inte alla ockupera samma kvanttillstånd, så de fyller tillgängliga energinivåer enligt specifika restriktioner. Vid mycket låga temperaturer producerar detta arrangemang vad fysiker kallar ett Fermi-hav. Det är ordnat, förutsägbart och – låt oss vara ärliga – lite tråkigt.

Men vad händer när forskare medvetet stör de förhållanden som normalt styr hur partiklar beter sig? Som Alvise Bastianello förklarar: "Fermioner staplas till exempel prydligt i de tillgängliga energitillstånden för att bilda det så kallade 'Fermi-havet'. Men vad händer om man tvingar interagerande atomer att kontinuerligt cykla genom extrema förhållanden, mjukt skiftande dem från att starkt stöta bort varandra till att starkt attrahera varandra?" Det är kvantmotsvarigheten till att fråga vad som händer om man fortsätter att flippa strömbrytaren på en mycket liten, mycket förvirrad glödlampa.

För att undersöka denna möjlighet studerade forskarna ultrakalla cesiumatomer instängda i ett endimensionellt system. Detta innebär att atomerna är begränsade till att röra sig längs en enda riktning, vilket skapar en miljö där deras kvantinteraktioner kan studeras med exceptionell kontroll. Teamet undersökte vad som händer när interaktionerna mellan dessa atomer upprepade gånger justeras, cyklande mellan kraftfull repulsion och attraktion.

Deras beräkningar avslöjade något oväntat. Med utgångspunkt från grundtillståndet, den lägsta energikonfigurationen som är tillgänglig för systemet, kunde atomerna drivas in i ett högt exciterat tillstånd utan att förlora sin underliggande organisation. Forskarna kallar detta ovanliga arrangemang ett fraktionellt Fermi-hav eftersom dess partiklar tycks lyda en modifierad regel som styr hur kvanttillstånd ockuperas.

"Istället för att helt enkelt värma systemet, omorganiserar interaktionscykeln atomerna till ett nytt mångpartikeltillstånd", säger Yi Zeng, studiens huvudförfattare. "Detta ger oss ett kontrollerat sätt att utforska kvantmateria bortom de vanliga jämviktsparadigmen." Med andra ord skakade de om den kvantmekaniska Etch A Sketch och fick ett mästerverk istället för en röra.

En av de mest intressanta egenskaperna hos det fraktionella Fermi-havet är att dess partiklar förblir organiserade även om systemet har drivits långt från jämvikt. Inom fysiken beskriver jämvikt ett tillstånd där ett systems övergripande egenskaper har stabiliserats i en stabil balans. System som drivs långt från jämvikt kan bete sig på komplicerade och oväntade sätt, vilket gör dem särskilt utmanande att förstå. Ändå är det fraktionella Fermi-havet inte bara en samling exciterade partiklar som beter sig slumpmässigt. Istället innehåller det distinkta matematiska mönster som avslöjar en djupare