Eksperimentalni fizičari stvorili su nov, egzotičan oblik kvantne materije, opisan kao more samoorganizujućih čestica, što predstavlja značajan korak u razumevanju temeljnih zakona svemira. Otkriće pomera granice kvantne simulacije i otvara nove puteve za izučavanje fundamentalne stvarnosti, piše Science Alert. Na najnižim temperaturama u svemiru, tek koji delić stepena iznad apsolutne nule (-273,15 °C), zakoni fizike postaju izrazito neobični. Atomi se mogu pretvoriti u supraprovodnike koji provode struju bez otpora, postati oblaci superčestica ili teći bez trenja, čak i prkoseći gravitaciji penjući se uz zidove posuda. Na najmanjim i najhladnijim nivoima vladaju kvantne statistike, koje određuju ponašanje dve porodice fundamentalnih čestica: bozona i fermiona. Bozoni, poput fotona ili Higsovog bozona, prenosnici su sile. Oni mogu zauzimati isto kvantno stanje, što im omogućuje da se preklapaju i ponašaju kao jedinstveni, koherentni talas. S druge strane, fermioni, poput elektrona i kvarkova koji tvore protone i neutrone, podležu Paulijevom principu isključenja. To znači da samo jedan fermion može zauzeti određeno kvantno stanje, a to objašnjava zašto se neutronske zvezde i beli patuljci ne urušavaju u crne rupe.
Nedavno su fizičari teorijski i eksperimentalno opisali novu fazu materije. Teorijski fizičar Alviz Bastijanelo iz francuskog Nacionalnog centra za naučna istraživanja (CNRS) i sa Univerziteta Pariz-Dofen postavlja ključno pitanje: „Fermioni se uredno slažu u dostupna energetska stanja i formiraju takozvano Fermijevo more. No, šta se događa ako atome koji međusobno deluju prisilimo da neprestano prolaze kroz ekstremne uslove, glatko ih prebacujući iz stanja snažnog odbijanja u stanje snažnog privlačenja?” Da bi odgovorili, istraživači su najpre stvorili egzotično stanje nazvano Bozeov gas. Koristili su oko 70.000 atoma cezijuma ohlađenih na neverovatnu temperaturu od svega nekoliko nanokelvina – milijarditih delova stepena iznad apsolutne nule. U takvim uslovima atomi gube individualnost i ponašaju se kao jedinstvena pojava (entitet). Tu materiju su zatim zarobili u jednodimenzionalnim cevima pomoću mreže lasera, poznate kao optička rešetka.
Ključni korak bio je njeno podvrgavanje ciklusima interakcije, podstičući atome naizmenično na snažno odbijanje i privlačenje. Time su stvorili potpuno novu i neočekivano egzotičnu fazu kvantne materije – frakciono Fermijevo more. Dok bozoni mogu neograničeno zauzimati kvantna stanja, a fermioni samo po jedan, frakcionalnost ovog mora predstavlja svojevrsno međustanje gde kvantna stanja mogu biti samo delimično zauzeta. Ciklični impulsi privlačenja i odbijanja doveli su do iznenađujućeg rezultata. Umesto da zagreju sastav ili nasumično rasprše čestice, ciklusi su delovali suprotno. „Umesto da jednostavno zagreva sastav, ciklus interakcije reorganizuje atome u novo višedelno stanje”, objašnjava Ji Zeng, fizičar sa Univerziteta u Insbruku i vodeći autor studije.
Rkovodilac istraživanja Hans-Kristof Negerl, profesor eksperimentalne kvantne fizike na Univerzitetu u Insbruku, objašnjava da je pomenuto stanje visoko pobuđeno, ali ne i nasumično. „Ono ima skriveni red koji postaje vidljiv u njegovim korelacijama”, kaže on. Dokaz postojanja frakcionog Fermijevog mora su i takozvane Fridelove oscilacije, specifično talasanje uočeno u sastavu. Zbog neuobičajeno složenih interakcija, istraživači još nisu sigurni kako nazvati novootkrivene kvazičestice. „Možda superfermioni?” predlaže Negerl.
Ovaj eksperiment otvara jedinstven prozor za proučavanje interakcija u kvantnim sistemima hladnih atoma i pomaže u razumevanju kako naša makroskopska stvarnost proizlazi iz neobičnih pojava na najtemeljnijim nivoima. „Otkriće frakcionih Fermijevih mora pokazuje koliko daleko možemo pomeriti granice kvantne simulacije: ne samo reprodukujući poznate modele, već stvarajući i istražujući stanja koja nadilaze ustaljene paradigme”, ističe Negerl. Rezultati bi mogli unaprediti kvantno računarstvo i senzore, omogućujući izuzetno preciznu obradu podataka i merenja. Potencijalne primene su velike, od nauke o materijalima i biomedicine do tehnologija šifriranja. Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters, a dostupno je i na sajtu za predobjave arXiv.
(Ilustracija NASA)
(Indeks)
