Ультрахолодные атомы создали новую фазу материи, выходящую за пределы теорий

Исследователи из Университета Инсбрука совместно с теоретиками из CNRS и Университета Париж-Дофин показали, что можно целенаправленно создавать особый класс квантовых состояний, известный как "fractional Fermi sea". Об этом пишет Sciencedaily.

Смотрите также: Бум ИИ может столкнуться с неожиданной проблемой — дата-центры оказались под угрозой

Что такое "дробное море Ферми" и как его получили?

Работа основана на экспериментах с ультрахолодными атомами цезия, которые удерживались в одномерной среде. Систему многократно переводили между состояниями сильного отталкивания и сильного притяжения между частицами.

В обычных условиях фермионы образуют так называемое ферми-море — структуру, в которой частицы занимают энергетические уровни в соответствии с принципом Паули. Однако в этом эксперименте система вела себя иначе. Вместо равновесного состояния она переходила в сильно возбужденную, но упорядоченную конфигурацию, которая не описывается классической теорией Томонаги–Люттингера — базовой моделью для одномерных квантовых систем.

Физики назвали это состояние"дробным", поскольку эффективное заполнение энергетических уровней выглядит уменьшенным и не соответствует стандартным правилам поведения фермионов.

Как выглядит "скрытый порядок" в системе?

Несмотря на то, что состояние является высокоэнергетическим, оно не является случайным. В структуре наблюдаются характерные квантовые корреляции и колебания плотности, известные как осцилляции Фриделя. По словам исследователей, система демонстрирует необычный тип упорядочения, который проявляется лишь посредством математического анализа взаимодействий между частицами.

Главная особенность заключается в том, что это состояние сохраняет стабильные корреляции даже при различных режимах взаимодействия — как при отталкивании, так и при притяжении частиц.

Выявленные характеристики указывают на существование отдельной критической фазы материи, которая не вписывается в известные классы квантовых состояний. Это открытие особенно важно для развития квантовых симуляторов — систем, позволяющих моделировать сложные квантовые процессы, недоступные для классических вычислений.

Исследователи подчеркивают, что эксперимент демонстрирует возможность не только воспроизводить уже известные физические модели, но и создавать новые состояния материи, которые ранее существовали лишь в теории.

Команда также работает над экспериментальным подтверждением этой фазы в лабораторных условиях. Они ожидают, что дальнейшие исследования помогут лучше понять поведение многочастичных квантовых систем вне равновесия.