Fizikçiler yine yaptı yapacağını: Kağıt üzerinde kusursuzca mantıklı gelen ama normal bir insan beyninde hiçbir anlam ifade etmeyen yeni bir kuantum durumu keşfettiler. Physical Review Letters'ta yayımlanan bir çalışmada, Hanns-Christoph Nägerl liderliğindeki araştırmacılar, CNRS ve Université Paris-Dauphine'den teorik fizikçi Alvise Bastianello ile birlikte, "kesirli Fermi denizi" olarak bilinen egzotik bir kuantum durumunun nasıl mühendislikle oluşturulacağını anlattılar. İsim tek başına reddedilmiş bir deniz ürünleri spesiyali gibi kulağa geliyor, ama fiziği gerçekten tuhaf.

Bu atılım, ultracold sezyum atomlarını, birbirlerini ne kadar güçlü çektiklerini veya ittiklerini tekrar tekrar değiştirerek normal koşullarının çok ötesine itmeyi içeriyor. Çoğumuzun tekrarlanan stres altında yaptığı gibi basitçe düzensizleşmek yerine, parçacıklar kendilerini bilim insanlarının geleneksel olarak incelediği kuantum sistemlerinden farklı davranan sıra dışı bir konfigürasyona yeniden düzenliyorlar. Teorik bulgular, Nägerl'in ekibinin Deneysel Fizik Bölümü'nde yürüttüğü son deneysel araştırmaların temelini oluşturuyor.

Sıradan koşullar altında, kuantum parçacıkları kendilerini nasıl düzenleyeceklerini belirleyen köklü kurallara uyarlar, özellikle de aşırı düşük sıcaklıklarda. Önemli bir örnek, elektronları da içeren bir parçacık kategorisi olan fermiyonları içerir. Bu parçacıkların hepsi aynı kuantum durumunu işgal edemez, bu yüzden mevcut enerji seviyelerini belirli kısıtlamalara göre doldururlar. Çok düşük sıcaklıklarda, bu düzen fizikçilerin Fermi denizi dediği şeyi üretir. Düzenli, öngörülebilir ve - dürüst olalım - biraz sıkıcı.

Peki araştırmacılar parçacıkların davranışını normalde yöneten koşulları kasıtlı olarak bozduğunda ne olur? Alvise Bastianello şöyle açıklıyor: "Örneğin fermiyonlar, mevcut enerji durumlarına düzgünce yığılarak sözde 'Fermi denizi'ni oluştururlar. Ama etkileşen atomları sürekli olarak aşırı koşullar arasında döngüye sokmaya, onları güçlü bir şekilde birbirlerini itmekten güçlü bir şekilde birbirlerini çekmeye yumuşak bir şekilde kaydırmaya zorlarsanız ne olur?" Bu, çok küçük, çok kafası karışmış bir ampulün anahtarını sürekli açıp kapatırsanız ne olur diye sormanın kuantum karşılığı.

Bu olasılığı araştırmak için araştırmacılar, tek boyutlu bir sisteme hapsedilmiş ultracold sezyum atomlarını incelediler. Bu, atomların tek bir yön boyunca hareket etmekle sınırlandırıldığı, kuantum etkileşimlerinin olağanüstü bir kontrolle incelenebildiği bir ortam yaratıldığı anlamına gelir. Ekip, bu atomlar arasındaki etkileşimler tekrar tekrar ayarlandığında, güçlü itme ile çekme arasında döngü yapıldığında ne olduğunu inceledi.

Hesaplamaları beklenmedik bir şey ortaya çıkardı. Sistemin erişebildiği en düşük enerji konfigürasyonu olan temel durumdan başlayarak, atomlar altta yatan organizasyonlarını kaybetmeden son derece uyarılmış bir duruma sürüklenebildi. Araştırmacılar bu sıra dışı düzenlemeye kesirli Fermi denizi diyorlar çünkü parçacıkları, kuantum durumlarının nasıl işgal edildiğini yöneten değiştirilmiş bir kurala uyuyor gibi görünüyor.

"Sistemi basitçe ısıtmak yerine, etkileşim döngüsü atomları yeni bir çoklu-cisim durumuna yeniden düzenliyor," diyor bu çalışmanın baş yazarı Yi Zeng. "Bu bize olağan denge paradigmalarının ötesinde kuantum maddesini keşfetmek için kontrollü bir yol sunuyor." Yani kuantum Etch A Sketch'ini salladılar ve karışıklık yerine bir şaheser elde ettiler.

Kesirli Fermi denizinin en ilgi çekici özelliklerinden biri, sistem dengeden çok uzağa itilmiş olsa bile parçacıklarının organize kalmasıdır. Fizikte denge, bir sistemin genel özelliklerinin istikrarlı bir dengeye oturduğu bir durumu tanımlar. Dengeden uzaklaştırılan sistemler karmaşık ve beklenmedik şekillerde davranabilir, bu da onları anlamayı özellikle zorlaştırır. Yine de kesirli Fermi denizi, rastgele davranan uyarılmış parçacıkların basit bir koleksiyonu değildir. Bunun yerine, daha derin bir şeyi ortaya koyan kendine özgü matematiksel desenler içerir.