Физики предложили теоретическое описание необычного состояния квантовой материи — дробного моря Ферми (fractional Fermi sea). В нем частицы сохраняют упорядоченную структуру, даже когда систему выводят далеко за пределы обычных условий. Для этого ученые предлагают многократно переключать взаимодействие между ультрахолодными атомами от сильного отталкивания к сильному притяжению.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Исследование может помочь изучить формы квантового поведения, которые не удается полностью объяснить существующими теориями одномерных систем, рассказывает Sciencedaily.

Как атомы выходят за пределы привычного поведения

В обычных условиях поведение квантовых частиц подчиняется определенным правилам. Например, фермионы — к этой категории относятся электроны — не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. При очень низких температурах они заполняют доступные энергетические уровни, формируя так называемое море Ферми.

Исследователи решили выяснить, что произойдет, если постоянно менять условия взаимодействия между частицами. Для этого они рассмотрели ультрахолодные атомы цезия, ограниченные движением вдоль одного направления. Такая одномерная система позволяет точнее контролировать квантовые взаимодействия и изучать их последствия.

Ученые смоделировали многократное переключение взаимодействия между сильным отталкиванием и сильным притяжением. Расчеты показали, что система, первоначально находившаяся в основном состоянии — конфигурации с минимальной энергией, — может перейти в сильно возбужденное состояние, не утратив внутренней организации.

Получившуюся структуру исследователи назвали дробным морем Ферми. Название отражает необычный способ заполнения квантовых состояний, который отличается от привычной картины моря Ферми.

«Вместо простого нагревания системы цикл изменения взаимодействий перестраивает атомы в новое многочастичное состояние», — объяснил первый автор работы И Цзэн.

Возбужденное состояние, в котором сохраняется порядок

Обычно системы, находящиеся далеко от термодинамического равновесия, демонстрируют сложное поведение, которое трудно описывать. Однако дробное море Ферми, согласно расчетам, не превращается в случайный набор возбужденных частиц: у него сохраняется характерная структура.

Один из признаков этого порядка — выраженные осцилляции Фриделя. Это волнообразные изменения плотности частиц, возникающие из-за квантовых взаимодействий. Исследователи также обнаружили необычную зависимость корреляций между частицами от расстояния: связи между ними ослабевают по закономерности, которая отличается от привычных теоретических предсказаний даже при сравнительно слабом отталкивании.

В частности, полученные результаты не укладываются полностью в рамки теории жидкости Томонаги — Латтинжера. Ее широко используют для описания взаимодействующих квантовых частиц в одномерных системах.

Это указывает на то, что дробное море Ферми может представлять собой особый тип квантового состояния, свойства которого требуют дополнительного теоретического объяснения.

«Это состояние сильно возбуждено, но не является случайным. Его скрытый порядок проявляется в корреляциях между частицами», — отметил руководитель исследовательской группы Ханс-Кристоф Нэгерль.

Какие новые частицы могут возникать в системе

Необычное состояние может быть связано и с появлением нетипичных квазичастиц. Так физики называют коллективные возбуждения, которые ведут себя подобно отдельным частицам, хотя возникают благодаря согласованному движению множества взаимодействующих объектов.

По мнению Нэгерля, обнаруженные возбуждения могут оказаться настолько необычными, что для них потребуется отдельное название. В качестве возможного варианта он предложил термин «суперфермионы», однако пока это лишь предположение, а не устоявшееся научное понятие.

Исследователи рассматривают дробное море Ферми как возможную критическую фазу квантовой материи — состояние с характерными закономерностями корреляций, выходящими за рамки привычных моделей.

Зачем создавать необычные квантовые состояния

Работа показывает, как квантовое моделирование помогает изучать явления, которые сложно воспроизвести или исследовать другими способами. В таких экспериментах ученые используют хорошо контролируемые квантовые системы — например, ультрахолодные атомы — в качестве модели более сложных физических процессов.

Исследователи могут точно менять взаимодействия между атомами и наблюдать, как система реагирует на эти изменения. Это позволяет не только проверять уже существующие теории, но и искать новые формы организации квантовой материи.

Пока опубликованная работа устанавливает теоретическую основу дробных морей Ферми. Сопутствующее исследование, посвященное экспериментальному созданию такого состояния с помощью квантового моделирования, проходит рецензирование.

Таким образом, существование этой необычной структуры еще предстоит подтвердить в рамках отдельной экспериментальной публикации. Если результаты получат подтверждение, они помогут расширить представления о том, как квантовые частицы способны сохранять порядок даже в условиях, далеких от равновесия.