Ułamkowe morze Fermiego. Fizycy stworzyli nowy stan kwantowy

Czym jest ułamkowe morze Fermiego

Badacze opisali nowy stan kwantowy, który może powstać w ultrazimnych atomach cezu. Nazwali go „ułamkowym morzem Fermiego”. Aby go uzyskać, trzeba odpowiednio sterować tym, jak mocno atomy się przyciągają lub odpychają.

W zwykłym morzu Fermiego cząstki zajmują kolejne „półki” energetyczne aż do określonej granicy. Kiedy jednak naukowcy zaczęli na przemian wzmacniać przyciąganie i odpychanie między atomami, cały układ zachował się inaczej, niż przewidywały znane teorie naukowe.

Jak powstał nowy stan kwantowy

Eksperci odkryli, że cykliczne zmienianie tej siły (jakby raz ściskali, a raz rozciągali atomy) sprawia, że cały zbiór cząstek przechodzi w wysoko „pobudzony” tryb. Nie nagrzewa się przy tym w zwykły sposób – po prostu wchodzi w nowy, niezwykły stan kwantowy.

Oczywiście nie chodzi o dosłowny podział atomów na kawałki. Mowa o całym układzie wielu oddziałujących ze sobą cząstek, które zachowują się zupełnie inaczej niż przewidują standardowe modele opisujące układy bliskie równowagi.

Dlaczego atomy nie wpadły w chaos

Najciekawsze jest to, że ten nowy stan kwantowy jest krytyczny – czyli ma bardzo długie zasięgi korelacji. Atomy „czują się” nawzajem na dużą odległość w sposób, którego nie da się opisać starymi, sprawdzonymi modelami. Badacze nie tylko przewidzieli ten stan teoretycznie, ale też użyli zaawansowanego narzędzia zwanego uogólnioną hydrodynamiką kwantową. W ten sposób pokazali, że taki stan da się realnie uzyskać w dzisiejszych laboratoriach z ultrazimnymi atomami.

Co oznacza ułamkowe morze Fermiego

To odkrycie w fizyce kwantowej nie jest tylko laboratoryjną ciekawostką. Może otworzyć nowy rozdział w rozumieniu materii kwantowej. Dotychczas jednowymiarowe układy kwantowe opisywano prawie wyłącznie za pomocą teorii Tomonagi-Luttingera. Nowy stan wychodzi poza jej granice. To oznacza, że fizycy mają teraz do czynienia z zupełnie nową klasą stanów materii, takich, które pojawiają się daleko od równowagi.

Znana teoria już nie wystarcza

W praktyce oznacza to, że naukowcy zyskują nowe narzędzie do badania materii w warunkach bardzo dalekich od równowagi. W przyszłości może to pomóc w rozwoju symulacji kwantowych i precyzyjniejszego zrozumienia złożonych układów kwantowych.

Jak na razie autorzy nie odkryli typowej nowej fazy materii, ale stworzyli opis nowego rodzaju krytycznego stanu kwantowego. Pojawia się on w silnie nierównowagowym układzie jednowymiarowym. Wyniki opublikowane w Physical Review Letters pokazują, że takie zachowanie może istnieć poza typowymi opisami jednowymiarowych układów kwantowych.

Warto przeczytać: Kwantowa ucieczka od życia. Nowa metafizyka dla zmęczonych