Fyzici popsali nový stav hmoty zvaný frakční Fermiho moře

Fyzici popsali nový stav hmoty zvaný frakční Fermiho moře

Fyzici popsali nový typ uspořádání kvantové hmoty, který nazvali frakční Fermiho moře. Vzniká v jednorozměrném Boseho plynu, tedy v systému bosonů – částic, které se na rozdíl od fermionů mohou za určitých podmínek nacházet ve stejném kvantovém stavu. Výsledky teoretické práce vyšly v časopise Physical Review Letters; navazující experimentální studie je dostupná jako preprint.

Fermiho moře je označení pro uspořádání částic v nejnižších dostupných energetických stavech. U fermionů jeho podobu omezuje Pauliho vylučovací princip, podle něhož dvě identické částice nemohou sdílet všechny kvantové vlastnosti. Nově popsaný stav tuto představu zobecňuje: částice mají v hybnostním prostoru rovnoměrné, ale zlomkové obsazení. Právě proto vědci mluví o „frakčním“ Fermiho moři.

Tým vedený Alvisem Bastianellem a Yi Zengem zkoumal integrabilní Boseho plyn, v němž lze velmi přesně měnit vzájemné působení částic. Výpočty ukázaly, že opakované cykly, při nichž se interakce plynule mění z odpudivých na přitažlivé a zpět, mohou systém vyvést ze základního stavu do silně excitované konfigurace. Ta se přitom nerozpadne v neuspořádaný tepelný stav. Zachovává pravidelnosti, které se projevují v korelacích mezi částicemi.

Jedním z těchto projevů jsou Friedelovy oscilace – vlnovité změny hustoty nebo dalších vlastností kvantového systému způsobené vzájemným ovlivňováním částic. Výzkumníci předpověděli také neobvyklý způsob, jakým korelace s rostoucí vzdáleností slábnou. Tyto vlastnosti se podle studie neshodují s popisem známým jako Tomonagova-Luttingerova kapalina. Tento teoretický rámec se běžně používá pro popis mnoha jednorozměrných interagujících kvantových systémů.

Teoretické závěry vycházejí z metody zvané zobecněná hydrodynamika, která umožňuje sledovat časový vývoj některých silně interagujících kvantových systémů mimo rovnováhu. Výpočty předpověděly stav s kritickými vlastnostmi, tedy s korelacemi zasahujícími na velké vzdálenosti, avšak s odlišným chováním než u běžné Tomonagovy-Luttingerovy kapaliny. Studie proto hovoří o možné nové kritické fázi, nikoli o nové elementární částici.

Experimentální práce skupiny Hannse-Christopha Nägerla z Universität Innsbruck podle zveřejněného preprintu připravila podobný stav v ultrachladném jednorozměrném Boseho plynu pomocí cyklů změn interakce. Pozorované Friedelovy oscilace odpovídaly očekávaným znakům frakčního Fermiho moře. Výsledky zatím neprokazují existenci samostatných částic nazývaných někdy „superfermiony“; tento výraz označuje možný budoucí popis kolektivních excitací, které by ze systému mohly vyvstávat. Význam objevu spočívá především v tom, že ultrachladné atomy nabízejí kontrolovaný způsob, jak zkoumat uspořádané kvantové stavy daleko od rovnováhy a ověřovat, kde přestávají stačit zavedené teorie.

Zdroj: ScienceDaily

Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.

Sdílejte článek