Ученые предсказали новую форму квантовой материи — самосвязывающиеся капли

Исследователи из Университета Монаша предсказали существование необычной новой формы квантовой материи, которая может перевернуть давние представления о поведении сверххолодных частиц.

Их расчеты показывают, что при определенных условиях два фундаментально разных класса квантовых частиц — бозоны и фермионы — могут объединяться, образуя стабильные «квантовые капли», удерживающие сами себя. Ранее ученые считали образование таких капель маловероятным в системах с сильным взаимодействием Бозе-Ферми.

Эти результаты дают исследователям новую теоретическую основу для будущих экспериментов и могут улучшить понимание квантовых материалов, важных для новых технологий, включая сверхточные датчики и квантовые вычисления.

Квантовая капля, которая держит себя сама

Ведущий автор и аспирант Монаша Сэм Фостер из Школы физики и астрономии заявил, что результаты открывают возможности для изучения совершенно новых квантовых состояний.

«Квантовые системы могут вести себя так, что это кажется невозможным в нашем повседневном мире. Мы показали, что эти два очень разных типа частиц могут идеально уравновешивать друг друга, создавая стабильную каплю, которая фактически удерживает себя сама».

Эти квантовые капли принципиально отличаются от обычных капель жидкости. Их стабильность обусловлена необычными законами квантовой механики. Притягивающая сила, стягивающая частицы вместе, точно компенсируется давлением, создаваемым фермионами, что предотвращает коллапс капли.

Фостер добавил, что новая работа также решает теоретическую проблему, с которой исследователи боролись годами.

«Предыдущие теории могли описывать эти системы только при относительно слабом взаимодействии частиц. Наш новый подход позволяет исследовать, что происходит, когда эти взаимодействия становятся гораздо сильнее, а именно там возникает самая интересная физика».

Квантовые капли можно проверить в лаборатории

Важно, что расчеты указывают на возможность создания предсказанных капель с помощью уже существующих экспериментов с ультрахолодными атомами. Это означает, что у исследователей есть реальный путь к экспериментальной проверке предсказания.

Команда также обнаружила признаки дополнительного необычного квантового поведения. Их результаты указывают на явления, напоминающие переход между жидкостью и газом, что позволяет предположить, что эти системы могут содержать гораздо более широкий и сложный диапазон квантовых фаз, чем считалось ранее.

Фостер сказал, что последствия могут в конечном итоге выйти за пределы области атомной физики.

«Понимание того, как материя организует себя в экстремальных квантовых условиях, дает нам новые инструменты для проектирования и контроля квантовых систем. Хотя это фундаментальное исследование, подобные открытия часто становятся основой для квантовых технологий будущего».

Исследование провели Сэм Фостер, доцент Джеспер Левинсен и профессор Мира Пэриш из Школы физики и астрономии Монаша совместно с коллегами из Гейдельбергского университета. Работа «Квантовые капли в резонансной смеси Бозе-Ферми» опубликована в журнале Physical Review Letters.