RW Space

При самых низких температурах во Вселенной физика становится странной.

Когда атомы охлаждаются чуть выше абсолютного нуля (-459,67 градусов по Фаренгейту или -273,15 градусов по Цельсию), они могут проводить электричество без сопротивления, превращаться в облака «суперчастиц» или течь без трения и взбираться по стенкам своих контейнеров.

Существование в самых маленьких и самых холодных масштабах управляется квантовой статистикой, которая определяет поведение бозонов и фермионов: два семейства фундаментальных частиц, которые, как считается, составляют все во Вселенной.

Бозоны — это частицы, переносящие силу, такие как фотоны или знаменитый бозон Хиггса. Они могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, а это означает, что бесчисленное количество бозонов могут «накладываться» друг на друга и действовать как когерентные волны.

Фермионы — это такие частицы, как электроны и кварки, из которых состоят протоны и нейтроны. Они не могут «перекрываться», потому что только один фермион может находиться в квантовом состоянии в соответствии со знаменитым принципом Паули, который также объясняет, почему звездные зомби, такие как нейтронные звезды и белые карлики, не коллапсируют в бесконечно маленькие черные дыры.

Недавно физики использовали эти принципы для экспериментального и теоретического описания странной новой фазы квантовой материи, похожей на море самоорганизованных частиц.

«Фермионы, Например, аккуратно складываются в доступные энергетические состояния, образуя так называемое «море Ферми», — говорит Альвизе Бастианелло, физик-теоретик из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Университета Париж-Дофин.

— Но что произойдет, если заставить взаимодействующие атомы непрерывно проходить через экстремальные условия, плавно переключая их от сильного отталкивания друг к другу к сильному притяжению?»

Чтобы выяснить это, исследователи сначала создали экзотическое состояние вещества, называемое бозе-газом. Это представляло собой совокупность примерно 70 000 атомов цезия, охлажденных до потусторонней температуры всего в несколько наноКельвинов, что эквивалентно миллиардным долям градуса выше абсолютного нуля.

В таких экстремальных условиях атомы теряют свою индивидуальность и начинают действовать как туманно-единая сущность.

Затем исследователи заключили это уникальное вещество в одномерные трубки, созданные двумерной оптической решеткой, сетью лазеров, которая улавливает атомы, чтобы их можно было наблюдать.

Наконец, исследователи подвергли это вещество повторяющимся циклам взаимодействия, в которых они заставили составляющие его атомы сильно отталкиваться, а затем притягивать друг друга.

При этом они породили совершенно новую, неожиданно экзотическую фазу квантовая материя, дробное ферми-море.

Как уже упоминалось, бозоны могут занимать квантовые состояния без ограничений, а фермионы — нет. Таким образом, «дробность» этого моря представляет собой своего рода промежуточное состояние, в котором квантовые состояния могут быть заняты лишь частично – механизм, который может проявиться только в экспериментах с более низкими измерениями.

Циклические импульсы притяжения и отталкивания также дают парадоксальный результат. Вместо того, чтобы воспламенять или беспорядочно рассеивать частицы, они делают противоположное.

Вместо того, чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние», — говорит И Цзэн, физик конденсированного состояния Инсбрукского университета в Австрии и ведущий автор исследования.

Руководитель исследования Ханнс-Кристоф Нэгерль, профессор Инсбрукского университета, специализирующийся на В экспериментальной квантовой физике объясняется:

«Это состояние сильно возбуждено, но оно не случайно. Оно имеет скрытый порядок, который становится видимым в его корреляциях».

Учитывая его странно сложные взаимодействия, включая кажущуюся рябь, называемую осцилляциями Фриделя — «дымящееся ружье» свидетельство дробного моря Ферми — исследователи не уверены, как обозначить свою лабильную материю.

«Мы пока не уверены, как нам следует назвать эти новые квазичастицы. Возможно, «суперфермионы»?» предлагает Нэгерль.

Этот новый эксперимент предлагает уникальный путь для изучения взаимодействий квантовых систем с холодными атомами, чтобы выяснить, как наша макрореальность возникает из странностей, происходящих на самых фундаментальных уровнях.

«Открытие дробных морей Ферми показывает, как далеко мы можем продвинуться в квантовом моделировании: не только воспроизводить известные модели, но создавать и исследовать состояния, выходящие за рамки установленных парадигм», — Нэгерль говорит.

По теме: ученые открывают новое квантовое состояние материи, которое когда-то считалось невозможным.

В результате эта работа может помочь улучшить квантовую информацию и возможности восприятия, позволяя высокоточную обработку данных и измерения связывать мир — с неисчислимым потенциалом для улучшения материаловедения, биомедицины и технологий шифрования, среди многих других.

Это исследование было опубликовано в Physical Review Letters и доступно на сервере препринтов. arXiv.

Эта статья была проверена Джессом Кокериллом и отредактирована Майклом Ирвингом. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам об этом.