Експериментални физичари створили су нов, егзотичан облик квантне материје, описан као море самоорганизујућих честица, што представља значајан корак у разумевању темељних закона свемира. Откриће помера границе квантне симулације и отвара нове путеве за изучавање фундаменталне стварности, пише Science Alert. На најнижим температурама у свемиру, тек који делић степена изнад апсолутне нуле (-273,15 °C), закони физике постају изразито необични. Атоми се могу претворити у супрапроводнике који проводе струју без отпора, постати облаци суперчестица или тећи без трења, чак и пркосећи гравитацији пењући се уз зидове посуда. На најмањим и најхладнијим нивоима владају квантне статистике, које одређују понашање две породице фундаменталних честица: бозона и фермиона. Бозони, попут фотона или Хигсовог бозона, преносници су силе. Они могу заузимати исто квантно стање, што им омогућује да се преклапају и понашају као јединствени, кохерентни талас. С друге стране, фермиони, попут електрона и кваркова који творе протоне и неутроне, подлежу Паулијевом принципу искључења. То значи да само један фермион може заузети одређено квантно стање, а то објашњава зашто се неутронске звезде и бели патуљци не урушавају у црне рупе.
Недавно су физичари теоријски и експериментално описали нову фазу материје. Теоријски физичар Алвиз Бастијанело из француског Националног центра за научна истраживања (CNRS) и са Универзитета Париз-Дофен поставља кључно питање: „Фермиони се уредно слажу у доступна енергетска стања и формирају такозвано Фермијево море. Но, шта се догађа ако атоме који међусобно делују присилимо да непрестано пролазе кроз екстремне услове, глатко их пребацујући из стања снажног одбијања у стање снажног привлачења?” Да би одговорили, истраживачи су најпре створили егзотично стање названо Бозеов гас. Kористили су око 70.000 атома цезијума охлађених на невероватну температуру од свега неколико нанокелвина – милијардитих делова степена изнад апсолутне нуле. У таквим условима атоми губе индивидуалност и понашају се као јединствена појава (ентитет). Ту материју су затим заробили у једнодимензионалним цевима помоћу мреже ласера, познате као оптичка решетка.
Kључни корак био је њено подвргавање циклусима интеракције, подстичући атоме наизменично на снажно одбијање и привлачење. Тиме су створили потпуно нову и неочекивано егзотичну фазу квантне материје – фракционо Фермијево море. Док бозони могу неограничено заузимати квантна стања, а фермиони само по један, фракционалност овог мора представља својеврсно међустање где квантна стања могу бити само делимично заузета. Циклични импулси привлачења и одбијања довели су до изненађујућег резултата. Уместо да загреју састав или насумично распрше честице, циклуси су деловали супротно. „Уместо да једноставно загрева састав, циклус интеракције реорганизује атоме у ново вишеделно стање”, објашњава Ји Зенг, физичар са Универзитета у Инсбруку и водећи аутор студије.
Рководилац истраживања Ханс-Kристоф Негерл, професор експерименталне квантне физике на Универзитету у Инсбруку, објашњава да је поменуто стање високо побуђено, али не и насумично. „Оно има скривени ред који постаје видљив у његовим корелацијама”, каже он. Доказ постојања фракционог Фермијевог мора су и такозване Фриделове осцилације, специфично таласање уочено у саставу. Због неуобичајено сложених интеракција, истраживачи још нису сигурни како назвати новооткривене квазичестице. „Можда суперфермиони?” предлаже Негерл.
Овај експеримент отвара јединствен прозор за проучавање интеракција у квантним системима хладних атома и помаже у разумевању како наша макроскопска стварност произлази из необичних појава на најтемељнијим нивоима. „Откриће фракционих Фермијевих мора показује колико далеко можемо померити границе квантне симулације: не само репродукујући познате моделе, већ стварајући и истражујући стања која надилазе устаљене парадигме”, истиче Негерл. Резултати би могли унапредити квантно рачунарство и сензоре, омогућујући изузетно прецизну обраду података и мерења. Потенцијалне примене су велике, од науке о материјалима и биомедицине до технологија шифрирања. Истраживање је објављено у часопису Physical Review Letters, а доступно је и на сајту за предобјаве arXiv.
(Илустрација NASA)
(Индекс)
