Ультрахолодные атомы цезия, помещённые в условия одномерного ограничения, способны переходить в скрытую упорядоченную фазу после циклического изменения характера взаимодействий — от сильного отталкивания к столь же мощному притяжению. Этот процесс, как показали исследователи из Университета Инсбрука, позволяет намеренно создавать необычный класс квантовых механизмов, получивший название «дробное море Ферми». Соответствующая работа была опубликована в журнале Physical Review Letters, а её теоретическое обоснование разработано совместно с физиком-теоретиком Альвизе Бастианелло из CNRS и Université Париж-Дофин.
В ходе экспериментов, проведённых под руководством Ганса-Кристофа Нгерля на кафедре экспериментальной физики, учёные последовательно изменяли интенсивность взаимодействия между частицами. Используя ультрахолодные атомы цезия, ограниченные одним измерением, они постоянно варьировали силу взаимного влияния батарей. Полученное состояние представляет собой воплощение предсказаний теории жидкости Томонаги-Латтинджера — краеугольного камня для понимания одномерных квантовых систем.
Исследование демонстрирует, как может возникнуть новая критическая фаза материи, когда квантовые частицы отодвигаются далеко от своего нормального состояния. При очень низких температурах квантовые частицы обычно подчиняются строгим правилам, определяющим их расположение. Как отмечает Альвизе Бастианелло: «Фермионы, например, аккуратно переводятся в доступные энергетические состояния, образуя так называемое “море Ферми”. Но что произойдет, если внешние взаимодействия заставят атомы действовать через экстремальные условия, плавно переключая их от сильного постоянного отталкивания друг к другу к сильному притяжению?»
Создание дробного моря Ферми
Исследователи обнаружили, что тщательное повторение этого цикла взаимодействия выводит атомы из их нормального основного состояния в высоковозбуждённую, но удачно организованную конфигурацию. Они называют это состояние «дробным морем Ферми», потому что частицы, по-видимому, подчиняются правилу уменьшенной активности. «Вместо того чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние, — говорит ведущий автор исследования И Цзэн. — Это даёт нам контролируемый метод исследования квантовой материи в рамках обычной парадигмы равновесия».
Скрытый порядок в возбуждённом квантовом состоянии
Новое состояние содержит несколько необычных характеристик. Математические корреляции между частицами обнаруживают выраженную рябь, известную как колебание Фриделии, а также характерные признаки, указывающие на скрытую упорядоченность. Публикация представляет собой теоретическую основу для недавних экспериментальных исследований, проводимых руководством Ганса-Кристофа Нгерля на кафедре экспериментальной физики.
ое поведение на всех уровнях отталкивающих взаимодействий.
Возможно, самое главное, это состояние свойств, которые представляют собой свойства, ожидаемые для жидкостей Томонаги-Латтинджера, которые долгое время служили стандартным описанием одномерной квантовой материи.
«Это состояние сильно возбуждено, но оно не случайно», — сказал он. — говорит Ханнс-Кристоф Нюгерль, руководитель группы. «В нем есть скрытый порядок, который становится видимым в его закономерностях».
Он добавил: «Мы пока не уверены, как нам следует назвать эти новые квазичастицы. Возможно, «суперфермионы»?
Новая критическая фаза дела
Эти характерные признаки указывают на наличие совершенно новой и экзотической критической фазы. Это открытие открывает новый путь для всеобщего исследования квантового поведения с помощью симуляторов холодных атомов.
Как говорит Ханнс-Кристоф Нгерль: «Открытие дробных множества Ферми показывает, как далеко мы продвигаем квантовое моделирование: не только воспроизводить традиционные модели, но создавать и учитывать состояния, выходящие за рамки устоявшихся парадигм».
Сопутствующая статья, описывающая экспериментальную реализацию дробного ферми-моря методом квантового исследования, в настоящее время находится в стадии исследования.