Прорыв в квантовой физике: ученые впервые создали новую экзотическую форму материи

Международная группа физиков экспериментально создала новую экзотическую форму квантовой материи, которую назвали «дробным морем Ферми» (fractional Fermi sea). Это открытие может расширить представления о поведении материи при экстремально низких температурах и открыть новые возможности для развития квантовых технологий, пишет ScienceAlert.

Новое состояние материи удалось получить в ходе экспериментов с ультрахолодными атомами цезия, охлажденными всего на несколько нанокельвинов выше абсолютного нуля (-273,15 °C). При таких температурах квантовые эффекты начинают доминировать над обычной физикой, атомы теряют свою индивидуальность и ведут себя как единая квантовая система, образуя так называемый Бозе-газ.

После этого учёные поместили около 70 тысяч атомов цезия в одномерные трубки, сформированные двумерной оптической решёткой из лазеров. Далее они многократно заставляли атомы переходить от сильного взаимного отталкивания к сильному притяжению. Именно такое циклическое изменение взаимодействий привело к появлению нового квантового состояния — дробного моря Ферми. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ

Квантовый прорыв Microsoft оказался под сомнением: ученые раскритиковали новое исследование

В отличие от обычного «моря Ферми», где фермионы занимают доступные квантовые состояния в соответствии с принципом исключения Паули, в новой форме эти состояния могут быть заполнены лишь частично. Исследователи отмечают, что полученное дробное море Ферми обладает необычными свойствами. Несмотря на высокую энергию системы, циклические изменения взаимодействия не приводят к хаотическому движению атомов или нагреванию, а наоборот — упорядочивают их.

«Вместо того чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействия реорганизует атомы в новое многочастичное состояние», — отметил ведущий автор работы, физик Университета Инсбрука И Цзэн.

В ходе исследования учёные также зафиксировали характерные колебания Фриделя — особый тип квантовых волн, который они называют ключевым доказательством существования дробного моря Ферми. Руководитель исследования, профессор экспериментальной квантовой физики Университета Инсбрука Ганс-Кристоф Негерль отметил, что новое состояние материи остается необычным даже для самих исследователей.

ВАС ЗАИНТЕРЕСУЕТ

Квантовый компьютер впервые научили самовосстанавливаться во время вычислений

«Мы пока не уверены, как назвать эти новые квазичастицы. Возможно, «суперфермионы»?», — предположил Негерль.

Авторы исследования считают, что открытие поможет лучше понять фундаментальные свойства квантовых систем и механизмы, благодаря которым из квантового мира возникает привычная макроскопическая реальность. Помимо фундаментальной науки, новый подход может найти применение в квантовых вычислениях, высокоточных измерениях, материаловедении, биомедицине и технологиях шифрования.

«Открытие дробных морей Ферми демонстрирует, насколько далеко мы можем продвинуться в квантовом моделировании: не только воспроизводя известные модели, но и создавая и исследуя состояния, выходящие за пределы устоявшихся парадигм», — подытожил Негерль.

В начале весны этого года учёные объявили об открытии новой субатомной частицы Xi-cc-plus. Она стала первой находкой после завершения модернизации Большого адронного коллайдера в 2023 году и уже 80-й частицей, обнаруженной на этом ускорителе.