При очень низких температурах квантовые частицы обычно следуют строгим правилам, определяющим их расположение. Фермионы, например, аккуратно укладываются в доступные энергетические состояния, образуя так называемое «море Ферми». «Но что происходит, если заставить взаимодействующие атомы непрерывно циклически проходить через экстремальные условия, плавно переводя их от сильного отталкивания друг от друга к сильному притяжению?» — объясняет соавтор работы, физик-теоретик из CNRS и Университета Париж-Дофин Альвизе Бастианелло.
Используя ультрахолодные атомы цезия, ограниченные одним измерением, ученые многократно изменяли силу взаимодействия между частицами и обнаружили, что тщательное повторение этого цикла взаимодействий выводит атомы из их обычного основного состояния в сильно возбужденную, но удивительно организованную конфигурацию. Они назвали это состояние «дробным» морем Ферми, потому что частицы, по-видимому, подчиняются сокращенному правилу заполнения.
«Вместо простого нагревания системы цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние, — говорит ведущий автор исследования Йи Цзэн. — Это дает нам контролируемый способ изучить квантовую материю за пределами обычных равновесных парадигм».
Вновь созданное состояние демонстрирует несколько необычных характеристик. Математические корреляции между частицами выявляют выраженную рябь — так называемые осцилляции Фриделя — наряду с характерным поведением затухания на всех уровнях отталкивающих взаимодействий. Важно, что состояние проявляет свойства, отличающиеся от ожидаемых для жидкостей Томонаги-Латтинжера — стандартного описания одномерной квантовой материи, существующего уже долгое время.
«Это состояние сильно возбуждено, но оно не случайно, — отмечает руководитель исследования Ханс-Кристоф Нэгерль, профессор Департамента экспериментальной физики Университета Инсбрука. — Оно обладает скрытым порядком, который становится видимым в его корреляциях. Мы пока не уверены, как следует называть эти новые квазичастицы. Возможно, “супер-фермионы”?».
Эти отличительные признаки указывают на присутствие совершенно новой экзотической критической фазы. Открытие предлагает новый путь для исследования универсального квантового поведения с использованием симуляторов на холодных атомах. «Открытие дробных морей Ферми показывает, как далеко мы можем продвинуть квантовое моделирование не только воспроизводя известные модели, но создавая и изучая состояния, выходящие за рамки установленных парадигм», — заключает Нэгерль.
Ранее физики сделали кота Шредингера еще более удивительным.