Физичарите создадоа нова, егзотична состојба на квантната материја
Експерименталните физичари создадоа нова, егзотична форма на квантна материја, опишана како море од самоорганизирачки честички, што е значаен чекор напред во разбирањето на фундаменталните закони на универзумот. Откритието ги поместува границите на квантната симулација и отвора нови патишта за истражување на фундаменталната реалност, пишува Science Alert.
Чудната физика на апсолутната нула
На најниските температури во универзумот, само дел од степен над апсолутната нула (-273,15 °C), законите на физиката стануваат исклучително чудни. Атомите можат да се трансформираат во суперпроводници кои спроведуваат електрична енергија без отпор, да станат облаци од „суперчестички“ или да течат без триење, дури и да ја побиваат гравитацијата со искачување по ѕидовите на контејнерите. Овие најмали и најстудени нивоа се регулирани со квантна статистика, која го одредува однесувањето на две семејства на фундаментални честички: бозони и фермиони.
Бозоните, како што се фотоните или Хигсовиот бозон, се честички што носат сила. Тие можат да ја заземат истата квантна состојба, што им овозможува да се преклопуваат и да се однесуваат како еден, кохерентен бран. Од друга страна, фермионите, како електроните и кварковите што ги сочинуваат протоните и неутроните, се предмет на принципот на исклучување на Паули.
Ова значи дека само еден фермион може да заземе одредена квантна состојба, што објаснува зошто неутронските ѕвезди и белите џуџиња не колабираат во црни дупки.
Создавање нова состојба на материјата
Физичарите неодамна теоретски и експериментално опишаа нова фаза на материјата. Теоретскиот физичар Алвизе Бастијанело од Францускиот национален центар за научни истражувања (CNRS) и Универзитетот Париз-Дофин поставува клучно прашање: „Фермионите уредно се распоредуваат во достапни енергетски состојби, формирајќи го она што е познато како „Фермиево море“. Но, што се случува ако интерактивните атоми се принудени постојано да минуваат низ екстремни услови, непречено префрлајќи ги од состојба на силна одбивност во состојба на силна привлечност?“
За да го пронајдат одговорот, истражувачите прво создадоа егзотична состојба наречена Бозеов гас. Тие користеа околу 70.000 атоми на цезиум изладени на неверојатна температура од само неколку нанокелвини – милијардити делови од степен над апсолутната нула.
Под такви услови, атомите ја губат својата индивидуалност и се однесуваат како единствен ентитет. Потоа ја заробија оваа материја во еднодимензионални цевки користејќи мрежа од ласери, позната како оптичка решетка.
Фракционо Фермиево море
Клучниот чекор беше да се подложи материјата на циклуси на интеракција, предизвикувајќи атомите наизменично силно да се одбиваат и привлекуваат. Притоа, тие создадоа сосема нова и неочекувано егзотична фаза на квантната материја – фракционото Фермиево море.
Додека бозоните можат да заземат неограничен број квантни состојби, а фермионите само една по една, „фракционалноста“ на ова море претставува еден вид средна состојба каде што квантните состојби можат да бидат само делумно зафатени.
Цикличните импулси на привлекување и одбивање доведоа до изненадувачки резултат. Наместо да го загреваат системот или случајно да ги расејуваат честичките, циклусите го направија спротивното. „Наместо едноставно да го загреваат системот, циклусот на интеракција ги реорганизира атомите во нова состојба со повеќе честички“, објаснува Ји Зенг, физичар на Универзитетот во Инсбрук и главен автор на студијата.
Скриен ред и „суперфермиони“
Водачот на студијата, Ханс-Кристоф Негерл, професор по експериментална квантна физика на Универзитетот во Инсбрук, додава дека оваа состојба е многу возбудена, но не и случајна. „Има скриен ред што станува видлив во нејзините корелации“, вели Негерл.
Докази за постоењето на фракционо Фермиево море даваат и таканаречените Фриделови осцилации, специфични бранувања забележани во системот. Поради невообичаено сложените интеракции, истражувачите сè уште не се сигурни како да ги наречат новооткриените квазичестички. „Можеби „суперфермиони“?“ сугерира Негерл.
Импликации за идната технологија
Овој експеримент отвора уникатен прозорец за проучување на интеракциите во квантните системи на ладни атоми и помага да се разбере како нашата макроскопска реалност произлегува од необични феномени на најфундаменталните нивоа.
„Откривањето на фракционо-фермиевите мориња покажува колку далеку можеме да ги поместиме границите на квантната симулација: не само со репродукција на познати модели, туку и со создавање и истражување на состојби што одат подалеку од воспоставените парадигми“, истакнува Негерл.
Резултатите од оваа работа би можеле да го унапредат квантното пресметување и сензорите, овозможувајќи исклучително прецизна обработка на податоци и мерења. Потенцијалните апликации се огромни, од науката за материјали и биомедицината до технологиите за енкрипција. Истражувањето е објавено во списанието Physical Review Letters и е достапно и на серверот за претпечатење arXiv.