Международная команда учёных из Токийского института науки обнаружила принципиально новое квантовое состояние — устойчивую фермионную сверхтекучесть с внутренними исключительными точками. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters (PRL).

Что такое исключительные точки и почему они важны

В обычной квантовой механике энергетические уровни и соответствующие состояния описываются эрмитовыми операторами — их собственные значения всегда вещественны, а состояния ортогональны. В открытых квантовых системах, где возможны потери частиц или направленная асимметрия, уравнения становятся неэрмитовыми. В таких системах могут возникать исключительные точки (exceptional points) — особые состояния, где одновременно сливаются несколько энергетических уровней и соответствующие им волновые функции.

Ранее считалось, что исключительные точки появляются только на границе фазового перехода — например, когда сверхтекучесть разрушается внешним воздействием. Новое исследование показало, что это не так: исключительные точки могут быть неотъемлемой внутренней характеристикой самой сверхтекучей фазы.

Как была открыта новая фаза

Учёные исследовали неэрмитову версию притягательной модели Хаббарда с нарушением спиновой симметрии пар. В этой модели частицы с противоположными спинами предпочитают двигаться в разных направлениях — диссипация становится асимметричной. Вместо того чтобы разрушать куперовские пары, такая спиновая несогласованность стабилизирует новое сверхтекучее состояние.

Расчёты показали: на квадратной решётке исключительная сверхтекучесть возникает даже при сколь угодно слабом притяжении. В трёх измерениях исключительные точки образуют линии в импульсном пространстве, в двух — остаются изолированными точками.

Руководитель проекта, доцент Акихиса Коги, отметил: новая фаза характеризуется не только конечным параметром порядка (как обычная сверхтекучесть), но и встроенными в импульсное пространство исключительными точками, что принципиально отличает её от ранее известных неэрмитовых сверхтекучих состояний.

Экспериментальная реализация

Авторы считают, что фазу можно получить в лабораторных условиях с ультрахолодными фермионными газами — литием-6 или калием-40. В таких системах учёные умеют точно контролировать потери частиц и создавать нужную диссипацию.

Открытие демонстрирует: диссипация может быть не разрушительным фактором, а инструментом формирования новых квантовых состояний. Это открывает новое направление в изучении неравновесной сильно коррелированной квантовой материи.

Вкратце

Физики из Токийского института науки открыли устойчивую сверхтекучую фазу с внутренними исключительными точками — сингулярностями, где сливаются энергетические уровни и состояния. Это первое состояние, где такие точки являются неотъемлемым свойством самой фазы, а не границей перехода. Фаза стабилизируется асимметричной диссипацией, зависящей от спина, и может быть реализована в экспериментах с ультрахолодными атомами. Открытие меняет представление о роли диссипации в квантовой материи и открывает новое направление исследований.