Ново странно квантово състояние - дробно море на Ферми

Ваня Милева Последна промяна на 30 June 2026 в 00:00 31 0

Цезиевите атоми, охладени до ултраниски температури, са открити в капан в скрито подредено състояние след циклично преминаване между отблъскващи и привличащи взаимодействия.

Кредит University of Innsbruck/AI generated
Цезиевите атоми, охладени до ултраниски температури, са открити в капан в скрито подредено състояние след циклично преминаване между отблъскващи и привличащи взаимодействия.

В ново проучване, публикувано в Physical Review Letters, международен екип демонстрира възможността за целенасочено създаване на необичаен клас квантови състояния, наречени "дробни морета на Ферми". 

Изследването демонстрира как може да възникне нова критична фаза на материята, когато квантовите частици са изтласкани далеч отвъд нормалните си равновесни условия. Използвайки цезиеви атоми, охладени до ултраниски температури и ограничени до едно измерение, учените многократно променяли силата на взаимодействието на частиците помежду си. Полученото състояние надхвърля поведението, предсказано от добре познатата теория за флуида на Томонага-Лътингер, крайъгълен камък за разбирането на едномерните квантови системи.

Морето на Ферми е теоретична концепция в квантовата физика, използвана за описание на съвкупност от невзаимодействащи или слабо взаимодействащи фермиони (такива са частиците с нецелочислен спин, основно изграждащи материята като електрони, протони, неутрони и т.н.), които запълват най-ниските налични квантови енергийни състояния при абсолютна нулева температура. Тъй като фермионите се подчиняват на принципа на изключване на Паули, две частици не могат да заемат абсолютно едно и също квантово състояние. В резултат на това, когато се добавят още частици към системата, те се "натрупват" една върху друга, запълвайки енергийните нива отдолу нагоре. При температура 0 K всички енергийни състояния до определена максимална граница са напълно запълнени. Тази група от запълнени състояния е образно наречена "море на Ферми". Енергията на Ферми е максималното енергийно ниво, заемано от фермионите при абсолютната нула. Тя е нещо като "повърхност" на морето. В многомерното импулсно пространство това е границата, която разделя заетите енергийни състояния (морето) от незаетите над тях.

море на фермиСпоред принципа на Паули, когато температурата спадне близо до абсолютната нула, газът от бозони се свива. В енергийния кладенец всички бозони могат да заемат едно и също ниско ниво на енергия, образувайки Бозе-Айнщайнов кондензат. Фермионите не могат да достигнат това състояние, тъй като две частици с еднакви квантови числа не могат да заемат едно и също ниво на енергията. Вероятно сте срещали и подобни на схемата вдясно илюстрации на принципа на Паули и сте си задавали въпроса: Защо електроните са по двойки? Защото електроните могат да имат две спинови състояния и затова на едно енергийно ниво може да има по два електрона - един с паралелен и един с антипаралелен спин.

Течността на Томонага-Лътингер (TLL - Tomonaga-Luttinger liquid) е универсалният теоретичен модел за описание на взаимодействащи квантови частици в едномерни (1D) системи, като квантови проводници, въглеродни нанотръби и студени атомни газовеТя замества традиционната теория за Ферми-течността, която фундаментално се разпада в едно измерение.

Резултатите от изследването са публикувани в списание Physical Review Letters. Работата е извършена от групата на Ханс-Кристоф Негерл (Hanns-Christoph Nägerl), съвместно с теоретичния физик Алвиз Бастианело (Alvise Bastianello) от CNRS и университета Париж-Дофен.

Създаване на дробно море на Ферми

При много ниски температури квантовите частици обикновено следват строги правила, регулиращи тяхното разположение. Както обяснява Алвизе Бастианело:

"Фермионите например се подреждат спретнато в достъпни енергийни състояния, образувайки така нареченото "море на Ферми". Но какво се случва, ако принудим взаимодействащите атоми непрекъснато да преминават през екстремни условия, плавно преминавайки от силно отблъскване към силно привличане?"

Изследователите откриват, че внимателното повтаряне на този цикъл от взаимодействия измества атомите от нормалното им основно състояние и ги поставя в силно възбудена, но забележително подредена конфигурация. Те наричат ​​това състояние "дробно" море на Ферми, защото частиците изглежда се подчиняват на правилото за намалена заетост.

"Вместо просто да нагрява системата, цикълът на взаимодействие пренарежда атомите в ново многочастично състояние", разказва И Дзън (Yi Zeng), водещ автор на изследването. "Това ни дава контролиран начин да изследваме квантовата материя отвъд конвенционалните парадигми на равновесие."

Скрит ред във възбудено квантово състояние

Новосъздаденото състояние проявява няколко необичайни характеристики. Математическите корелации между частиците разкриват ясно изразени пулсации, наречени Фриделови осцилации, както и характерно затихващо поведение на всички нива на отблъскващи взаимодействия.

Може би най-важното е, че състоянието проявява свойства, различни от очакваните за течностите на Томонага-Лътингер, които отдавна служат като стандартно описание на едномерната квантова материя.

"Това състояние е силно възбудено, но не е хаотично", обяснява Ханс-Кристоф Негерл, ръководителят на групата. "То има скрит ред, който става видим в неговите корелации."

"Все още не сме сигурни как да наречем тези нови квазичастици. Може би "суперфермиони"?", добавя Ханс-Кристоф Негерл. 

Нова критична фаза на материята

Тези отличителни характеристики показват съществуването на изцяло нова и екзотична критична фаза. Откритието предлага нов път за изследване на универсалното квантово поведение, използвайки симулатори на студени атоми.

"Откриването на дробни морета на Ферми показва докъде можем да стигнем в квантовата симулация: не само чрез възпроизвеждане на известни модели, но и чрез създаване и изследване на състояния, които надхвърлят установените парадигми", к0оментира Ханс-Кристоф Негерл.

Придружаваща статия, описваща експерименталната реализация на фракционни Фермиеви морета с помощта на квантови симулации, в момента е в процес на експертна оценка.

Справка:
  1. Alvise Bastianello et al, Exotic Critical States as Fractional Fermi Seas in the One-Dimensional Bose Gas, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/j3s5-gjpf. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2602.17656
  2. Yi Zeng et al, Realization of fractional Fermi seas, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2602.17657

Източник: Out-of-equilibrium cesium atoms reveal fractional Fermi seas, exposing new critical quantum phase, University of Innsbruck

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !