Foto: University of Innsbruck

V laboratoři, kde se teplota blíží absolutní nule, se odehrává fascinující divadlo. Fyzici z Univerzity v Innsbrucku objevili nový kvantový stav, který nazvali ‚frakční Fermio moře‘. Tento objev nejenže zpochybňuje zavedené kvantové teorie, ale také otevírá dveře k pochopení exotických kvazipartikulí, které vědci nazývají potenciálními ‚super-Fermiony‘.

Autor původního článku: redakce

Nečekané uspořádání ultrachladných atomů

Vědci z týmu vedeného Hannsem-Christophem Nägerlem, ve spolupráci s teoretickým fyzikem Alvisem Bastianellem z CNRS a Université Paris-Dauphine, popsali, jak vytvořit exotický kvantový stav známý jako ‚frakční Fermio moře‘. Tento průlom zahrnuje manipulaci s ultrachladnými cesiovými atomy, které jsou nuceny daleko za své běžné podmínky tím, že se opakovaně mění, jak silně se přitahují nebo odpuzují. Namísto toho, aby se jednoduše staly neuspořádanými, se tyto částice přeskupují do neobvyklé konfigurace, která se chová jinak než tradičně studované kvantové systémy.

Posouvání hranic kvantových částic

Za běžných podmínek kvantové částice dodržují dobře zavedená pravidla, která určují, jak se uspořádávají, zejména při extrémně nízkých teplotách. Jedním z důležitých příkladů jsou fermiony, kategorie částic, která zahrnuje elektrony. Tyto částice nemohou všechny obsadit stejný kvantový stav, takže zaplňují dostupné energetické úrovně podle specifických omezení. Při velmi nízkých teplotách toto uspořádání vytváří to, co fyzici nazývají Fermio moře.

Alvise Bastianello vysvětluje: ‚Fermiony se například úhledně skládají do dostupných energetických stavů, aby vytvořily takzvané ‚Fermio moře‘. Ale co se stane, když někdo donutí interagující atomy neustále cyklovat extrémními podmínkami, plynule je posouvat od silného odpuzování k silnému přitahování?‘

Nový kvantový stav s ukrytou strukturou

Jedním z nejzajímavějších rysů frakčního Fermio moře je, že jeho částice zůstávají organizované, i když je systém vychýlen daleko od rovnováhy. V fyzice rovnováha popisuje stav, ve kterém se celkové vlastnosti systému ustálily do stabilní rovnováhy. Systémy vychýlené daleko od rovnováhy se mohou chovat složitě a neočekávaně, což je činí obzvláště náročnými na pochopení.

Nägerl naznačuje, že neobvyklé excitace by si mohly nakonec zasloužit vlastní název. ‚Ještě si nejsme jisti, jak bychom měli tyto nové kvazipartikulí pojmenovat. Možná ‚super-Fermiony‘?‘ říká Hanns-Christoph Nägerl, vedoucí skupiny.

Otevírání nových hranic v kvantové fyzice

Objev naznačuje, že frakční Fermio moře představují exotickou kritickou fázi kvantové hmoty s charakteristickými vzory korelací částic, které přesahují existující popisy jednorozměrných kvantových systémů. Ukazuje také rostoucí sílu kvantové simulace, techniky, která umožňuje vědcům používat pečlivě kontrolované kvantové systémy k zkoumání fyzikálního chování, které by jinak bylo obtížné reprodukovat nebo studovat.

Ultrachladné atomy jsou pro tento účel obzvláště užitečné, protože vědci mohou přesně upravit jejich interakce a pozorovat, jak se výsledné kvantové stavy mění. Namísto omezení těchto experimentů na reprodukci jevů již pochopených prostřednictvím zavedených teorií mohou vědci nyní zkoumat záměrně navržené stavy, které odhalují zcela nové možnosti.

Současná publikace stanovuje teoretický rámec pro frakční Fermio moře. Doprovodná studie popisující jejich experimentální realizaci prostřednictvím kvantové simulace prochází recenzním řízením. Společně výzkum ukazuje na nové způsoby zkoumání základního chování kvantové hmoty, včetně neobvyklých kolektivních excitací a skrytých forem řádu, které se objevují pouze tehdy, když jsou částice vychýleny daleko za své běžné podmínky.