Физики создали странное новое квантовое состояние — дробное море Ферми

Атомы цезия, охлажденные до сверхнизких температур, зафиксированы в скрытом упорядоченном состоянии после циклического переключения между отталкивающими и притягивающими взаимодействиями. Credit: University of Innsbruck

Физики продемонстрировали возможность целенаправленного создания необычного класса квантовых состояний, известных как «дробные моря Ферми». Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Работа была выполнена группой Ханса-Кристофа Негерля совместно с физиком-теоретиком Альвизе Бастьянелло из CNRS и Университета Париж-Дофин.

Исследование показывает, как новая критическая фаза материи может возникать, когда квантовые частицы выводятся далеко за пределы их нормальных равновесных условий. Используя атомы цезия, охлажденные до сверхнизких температур и ограниченные одним измерением, ученые неоднократно изменяли силу взаимодействия частиц друг с другом. Полученное состояние выходит за рамки поведения, предсказанного известной теорией жидкости Томонаги-Латтинджера, которая является краеугольным камнем для понимания одномерных квантовых систем.

Эта публикация представляет теоретическую основу для недавних экспериментальных исследований, проведенных в группе Ханса-Кристофа Негерля на кафедре экспериментальной физики.

Создание дробного моря Ферми

При очень низких температурах квантовые частицы обычно следуют строгим правилам, определяющим их расположение. Как объясняет Альвизе Бастьянелло:

«Фермионы, например, аккуратно укладываются в доступные энергетические состояния, образуя так называемое «море Ферми». Но что произойдет, если заставить взаимодействующие атомы непрерывно циклически проходить через экстремальные условия, плавно переключая их от сильного отталкивания к сильному притяжению?»

Исследователи обнаружили, что тщательное повторение этого цикла взаимодействий выводит атомы из их нормального основного состояния и переводит в сильно возбужденную, но при этом удивительно упорядоченную конфигурацию. Они называют это состояние «дробным» морем Ферми, поскольку частицы, по-видимому, подчиняются правилу пониженной заполняемости.

«Вместо того чтобы просто нагревать систему, цикл взаимодействий перестраивает атомы в новое многочастичное состояние, — говорит И Цзэн, ведущий автор исследования. — Это дает нам контролируемый способ исследования квантовой материи за пределами обычных равновесных парадигм».

Скрытый порядок в возбужденном квантовом состоянии

Недавно созданное состояние демонстрирует несколько необычных характеристик. Математические корреляции между частицами выявляют ярко выраженные пульсации, известные как осцилляции Фриделя, а также характерное затухающее поведение на всех уровнях отталкивающих взаимодействий.

Возможно, самое важное заключается в том, что состояние демонстрирует свойства, отличные от тех, что ожидаются для жидкостей Томонаги-Латтинджера, которые долгое время служили стандартным описанием одномерной квантовой материи.

«Это состояние сильно возбуждено, но оно не хаотично, — говорит Ханс-Кристоф Негерль, руководитель группы. — У него есть скрытый порядок, который становится видимым в его корреляциях».

Он добавляет: «Мы пока не уверены, как нам следует назвать эти новые квазичастицы. Может быть, «супер-фермионы»?»

Новая критическая фаза материи

Эти отличительные признаки указывают на существование совершенно новой и экзотической критической фазы. Открытие предлагает новый путь для исследования универсального квантового поведения с помощью симуляторов холодных атомов.

«Открытие дробных морей Ферми показывает, как далеко мы можем продвинуть квантовое моделирование: не только воспроизводя известные модели, но и создавая и исследуя состояния, выходящие за рамки устоявшихся парадигм», — говорит Ханс-Кристоф Негерль.

Сопроводительная статья, описывающая экспериментальную реализацию дробных морей Ферми с помощью квантового моделирования, в настоящее время находится на рецензировании.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Инсбрука.

Alvise Bastianello, Yi Zeng, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl, Manuele Landini. Exotic Critical States as Fractional Fermi Seas in the One-Dimensional Bose Gas. Physical Review Letters, 2026; 136 (23) DOI: 10.1103/j3s5-gjpf

Yi Zeng, Alvise Bastianello, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl, Manuele Landini. Realization of fractional Fermi seas. arXiv, 19 May 2026 DOI: 10.48550/arXiv.2602.17657