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.