Подтверждено дробное море Ферми: физики Инсбрука создали новую фазу квантовой материи, предсказанную нобелевским лауреатом Ф. Д. М. Халдейном в 1991 году, циклируя ультрахолодные атомы цезия через резонансы Файншбаха для получения неравновесного состояния, чьи корреляции превосходят предсказания теории жидкости Томонаги-Люттингера.
Физики из Инсбрукского университета получили новую фазу квантовой материи, называемую дробным морем Ферми — высокоупорядоченное, неравновесное состояние, существование которого квантовая теория предсказала более трех десятилетий назад, но которое никогда не подтверждалось экспериментально. Теоретическая основа, описывающая это состояние и опубликованная 9 июня 2026 года в Physical Review Letters, закладывает математические основы для открытия, выходящего за рамки всех существующих моделей одномерных квантовых систем — включая теорию жидкости Томонаги-Люттингера, которая определяла эту область более 70 лет.
Подтверждение имеет значение и за пределами физического факультета. В 1991 году теоретик, удостоенный Нобелевской премии, Ф. Д. М. Халдейн предположил, что частицы в квантовых системах не обязаны быть чисто бозонами или чисто фермионами. Его обобщенная статистика исключения предсказала существование состояний с дробным заполнением энергетических уровней — квантовой материи, подчиняющейся правилам, находящимся между этими двумя крайностями. В течение 35 лет эти состояния оставались теоретическими. Результаты Инсбрука показывают, что их можно создавать по требованию.
Что обычно гарантирует принцип исключения Паули — и почему это его нарушает
При низких температурах частицы, известные как фермионы — электроны являются наиболее известным примером — заполняют доступные энергетические уровни снизу вверх, причем каждый уровень занят ровно одной частицей. Физики называют это заполненное расположение морем Ферми. Правило, которое это обеспечивает, принцип исключения Паули, является одним из самых фундаментальных ограничений в квантовой механике: никакие две идентичные фермионы не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние.
Дробное море Ферми сохраняет резкую границу между заполненными и пустыми состояниями, характерную для моря Ферми, но нарушает то, что находится под этой границей. Вместо полного заполнения уровни энергии заполнены лишь частично — это картина, которую стандартный принцип исключения Паули не допускает. В результате получается квантовое состояние, которое действительно возбуждено относительно своей основной конфигурации, но при этом поразительно упорядочено, а не представляет собой беспорядочный шум нагретой системы.
“Вместо простого нагрева системы цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние”, — сказал И Цзэн, ведущий автор сопутствующей экспериментальной статьи. “Это дает нам контролируемый способ изучения квантовой материи за пределами обычных равновесных парадигм”.
Как атомы цезия в проводе образуют квантовое море, которого не должно существовать
Очевидный парадокс в установке Инсбрука заключается в том, что атомы цезия являются бозонами — частицами, которые по стандартной классификации находятся так далеко от моря Ферми, насколько это возможно для квантовой частицы. В трех измерениях это сделало бы море Ферми невозможным. Но в одном измерении происходит нечто необычное: стенки квантового провода заставляют каждый обмен частицами включать столкновение. Это рассеяние преобразует коллективное поведение бозонов, заставляя их приобретать фермионные свойства — отображение, которое физики называют соответствием Тонкса-Жирардо. Именно этот 1D-механизм сделал возможным эксперимент в Инсбруке.
Работая с атомами цезия, охлажденными до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, группа Нэгерля из Института экспериментальной физики Инсбрукского университета многократно циклически изменяла атомы через противоположные крайности силы взаимодействия. Используя резонансы Файншбаха — метод, позволяющий настраивать рассеяние между атомами путем регулировки внешнего магнитного поля — они плавно изменяли цезиевый газ от сильно отталкивающих к сильно притягивающим взаимодействиям и обратно, в повторяющихся циклах.
Вместо того чтобы нагревать атомы к беспорядку, циклы взаимодействия привели систему к устойчивой, упорядоченной неравновесной конфигурации: дробивному морю Ферми. Теоретическая статья, предсказания которой основаны на рамках, называемых Обобщенная гидродинамика, показывает, что этот специфический протокол циклирования генерирует дробное заполнение по всем энергетическим уровням — не случайно, а как стабильное математическое следствие интегрируемой структуры уравнений, управляющих газом.
Осцилляции Фриделя как неопровержимый признак
Дробное море Ферми заявляет о себе через два наблюдаемых признака в корреляциях между частицами. Первые — это осцилляции Фриделя — характерные пространственные пульсации плотности частиц, которые являются отличительной чертой формирования поверхности Ферми. Вторым является специфический шаблон того, как эти корреляции затухают на расстоянии: показатели затухания несовместимы ни с одним значением параметра, разрешенным теорией жидкости Томонаги-Люттингера.
В стандартной физике TLL показатели, управляющие затуханием корреляций, определяются единственным параметром Люттингера. Результат Инсбрука дает картины корреляций, которые невозможно подогнать ни под какой параметр Люттингера — они, в математическом смысле, находятся за пределами пространства решений теории. “Это состояние сильно возбуждено, но оно не случайно”, — сказал Ханнс-Кристоф Нэгерль, руководитель группы. “У него есть скрытый порядок, который становится видимым в его корреляциях”.
Картина осцилляций Фриделя подтверждает то, что предсказывает теоретическая статья: система сформировала море Ферми с подлинно дробными — а не целочисленными — числами заполнения. Это наблюдаемый признак, необходимый для проверки теории Халдейна 1991 года.
Что предсказала статистика Халдейна — и что подтверждают результаты Инсбрука
Теоретическая сопутствующая статья, опубликованная в Physical Review Letters, написанная Альвизе Бастианелло из CNRS и Университета Париж-Дофин совместно с командой Инсбрука, представляет математическое доказательство того, что дробные моря Ферми возникают из обобщенной статистики исключения Халдейна в контексте управляемого одномерного бозе-газа.
Статистика Халдейна обобщает принцип исключения Паули, вводя непрерывный параметр. Там, где стандартные фермионы имеют значение один (каждая дополнительная частица устраняет ровно одно доступное состояние), дробные частицы имеют промежуточное значение — где-то между нулем (бозоны) и единицей (фермионы). Получившееся “море” имеет дробное, а не целочисленное заполнение на каждом энергетическом уровне, равномерно распределенное по импульсному пространству.
Это предсказание никогда ранее не реализовывалось экспериментально в контролируемой квантовой системе. Экспериментальная статья под руководством И Цзэна была размещена в виде препринта на сервере arXiv и в настоящее время проходит рецензирование.
За пределами теории TLL: что означает новый класс универсальности
Теория жидкости Томонаги-Люттингера (TLL) служила универсальной парадигмой для одномерной взаимодействующей квантовой материи с момента работы Синитиро Томонаги 1950 года и переформулировки Дж. М. Люттингера 1963 года. Она описывает коллективное поведение взаимодействующих частиц в квантовых проводах, углеродных нанотрубках и атомных цепочках — по сути, любую систему, ограниченную одним пространственным измерением. Десятилетиями она считалась исчерпывающей основой: если что-то является 1D и квантовым, это описывается теорией TLL.
Дробное море Ферми является прямым контрпримером. Его корреляционные функции демонстрируют критическое поведение — дальнодействующий порядок, степенное затухание — но такого рода, который теория TLL не может сгенерировать. Оно представляет собой подлинно новый класс универсальности в физике одномерных квантовых систем.
“Открытие дробных морей Ферми показывает, как далеко мы можем продвинуть квантовое моделирование: не только воспроизводить известные модели, но и создавать и исследовать состояния, выходящие за рамки установленных парадигм”, — сказал Нэгерль.
Новое состояние пополняет ускоряющийся каталог экзотических квантовых фаз, открываемых на платформах с холодными атомами. Та же группа из Инсбрука опубликовала в 2025 году статью в Science, в которой сообщалось о многочастичной динамической локализации — родственном явлении, при котором управляемая квантовая система также отказывается от тепловой релаксации, замораживая свое распределение импульса при постоянном внешнем возбуждении.
Дробное море Ферми представляет собой иное и более глубокое проявление того же более широкого понимания: квантовые системы вне равновесия могут организовываться способами, которые равновесная теория никогда не предсказывала.
Квазичастицы, которым, возможно, еще нет названия
Каждая известная фаза квантовой материи имеет характерные квазичастицы — эмерджентные, похожие на частицы возбуждения, которые несут информацию о фазе по всей системе. В стандартном море Ферми эти квазичастицы представляют собой обычные фермионоподобные сущности. В теории TLL квазичастицы дробятся на отдельные спиновые и зарядовые моды — явление, называемое спин-зарядовым разделением.
Квазичастицы дробного моря Ферми еще не полностью охарактеризованы. Команда дала название новому состоянию, но отказалась называть его квазичастицы. “Мы пока не уверены, как следует называть эти новые квазичастицы. Может быть, «суперфермионы»?” — сказал Нэгерль. Вопрос нетривиален: идентификация статистики квазичастиц определит, сможет ли новое состояние поддерживать приложения в квантовой информации или сенсорике — областях, которые экспериментальная статья прямо называет направлениями для будущей работы.
Что дальше
Экспериментальная статья, описывающая лабораторную реализацию дробных морей Ферми с использованием квантового моделирования, в настоящее время проходит рецензирование после публикации на arXiv в феврале 2026 года. Теоретическая статья в Physical Review Letters предоставляет основу Обобщенной гидродинамики, которую призваны проверить измерения экспериментальной группы.
Определение точной квазичастичной структуры дробного моря Ферми — идентичности этих “суперфермионов”, если они существуют, — является ближайшим открытым вопросом. Это определение установит, могут ли экзотические статистики состояния быть использованы для аналогового квантового моделирования коррелированных материалов, для архитектур квантовой обработки информации, использующих неравновесные многочастичные состояния, или для применений в квантовой сенсорике, требующих структурированной, контролируемой нетепловой квантовой материи.
Что такое дробное море Ферми и чем оно отличается от обычного моря Ферми?
Обычное море Ферми образуется, когда идентичные фермионы заполняют доступные энергетические уровни снизу вверх, причем каждый уровень занят ровно одной частицей — это следствие принципа исключения Паули. Дробное море Ферми сохраняет резкую внешнюю границу этой структуры, но нарушает правило заполнения внутри нее: уровни энергии заполнены лишь частично, с дробными, а не целочисленными числами заполнения. Эта картина допускается обобщенной статистикой исключения Халдейна 1991 года, которая расширяет принцип Паули, позволяя частицам с поведением, промежуточным между бозонами и фермионами. Эксперимент в Инсбруке впервые создал это состояние в контролируемой квантовой системе.
Как физики на самом деле создали дробное море Ферми в лаборатории?
Команда использовала ультрахолодные атомы цезия — охлажденные до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля — заключенные в эффективно одномерной геометрии (квантовом проводе). Затем они многократно циклически изменяли силу взаимодействия между атомами от сильно отталкивающей до сильно притягивающей, используя резонансы Файншбаха, которые настраивают рассеяние атомов путем регулировки внешнего магнитного поля. Вместо простого нагрева атомов каждый цикл реорганизовывал их в сторону все более упорядоченной неравновесной конфигурации. Управляющий протокол, предсказанный теорией Обобщенной гидродинамики, приводит к дроблению заполнения в импульсном пространстве как стабильному математическому результату интегрируемой структуры системы.
Что означает дробное море Ферми для квантовых вычислений и квантовых технологий?
Непосредственные приложения лежат в области квантового моделирования — использования дробного моря Ферми в качестве контролируемой платформы для изучения квантовых многочастичных систем, недоступных для классических компьютеров. В экспериментальной статье также названы квантовая информация и сенсорика в качестве долгосрочных направлений. Практическая значимость зависит от определения того, какие квазичастицы поддерживает дробное море Ферми. Если эти квазичастицы несут анионную или дробную статистику, они могут стать кандидатами для топологически защищенного хранения квантовой информации. Эта характеристика является следующим шагом в исследованиях.
Почему теория жидкости Томонаги-Люттингера не описывает это новое состояние?
Теория жидкости Томонаги-Люттингера (TLL) является универсальной основой для одномерных взаимодействующих квантовых систем с 1950-х годов. Она предсказывает, что вся 1D квантовая материя при низких энергиях ведет себя как специфический тип коллективных возбуждений — бозонные волны плотности, — чьи корреляции затухают с показателями степени, определяемыми единственным параметром, параметром Люттингера. Дробное море Ферми производит показатели затухания корреляций, несовместимые ни с одним значением параметра Люттингера. Его картина осцилляций Фриделя также отличается от предсказаний TLL. Поскольку состояние выходит за пределы пространства решений теории TLL, оно представляет собой подлинно новый класс универсальности в физике одномерных квантовых систем — категорию поведения, для которой существующая основа никогда не предназначалась.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – William Chan