Új, különös kvantumállapotot fedeztek fel a fizikusok

A Physical Review Letters című tudományos folyóiratban megjelent tanulmányban Hanns-Christoph Nägerl kutatócsoportja Alvise Bastianello elméleti fizikussal, a francia CNRS és a Paris-Dauphine Egyetem munkatársával együtt mutatta be az új kvantumállapot elméleti hátterét. A kutatók rendkívül hideg céziumatomok kölcsönhatásainak folyamatos változtatásával vizsgálták, hogyan alakulhat ki a hagyományostól eltérő részecskerendszer.

A kísérlet alapötlete az volt, hogy az atomok közötti kölcsönhatást ismételten az erős taszítás és az erős vonzás tartományai között változtatták. A várakozásokkal ellentétben a rendszer nem egyszerűen rendezetlenné vált: a részecskék olyan különleges konfigurációba rendeződtek, amely a megszokott elméleti modellekkel nem írható le teljes egészében.

Mi az a Fermi-tenger, és miért különleges az új állapot?

A fermionok olyan részecskék, amelyek közé többek között az elektronok is tartoznak. Egyik alapvető tulajdonságuk, hogy nem foglalhatják el ugyanazt a kvantumállapotot. Emiatt rendkívül alacsony hőmérsékleten meghatározott szabályok szerint töltik be a rendelkezésükre álló energiaállapotokat. Az így kialakuló rendszert nevezik Fermi-tengernek.

A kutatók azonban arra voltak kíváncsiak, mi történik, ha folyamatosan megváltoztatják az atomok közötti kölcsönhatásokat. A vizsgálat során a céziumatomokat egy egydimenziós rendszerbe zárták, vagyis csak egyetlen irányban mozoghattak. Ez lehetővé tette a köztük fellépő kvantumhatások pontosabb elemzését.

A számítások azt mutatták, hogy a rendszer az alapállapotból – a rendelkezésre álló legalacsonyabb energiájú konfigurációból – kiindulva rendkívül magas energiájú állapotba hajtható anélkül, hogy elveszítené alapvető szerkezetét.

„A kölcsönhatások ciklikus változtatása nem egyszerűen felmelegíti a rendszert, hanem újrarendezi az atomokat, és egy új, sokrészecskés állapotot hoz létre”

– magyarázta Yi Zeng, a tanulmány vezető szerzője. Hozzátette: ez ellenőrzött körülmények között teszi lehetővé a kvantumanyag olyan viselkedésének vizsgálatát, amely túlmutat a megszokott egyensúlyi állapotokon.

A rendezettség a szélsőséges állapotban is megmarad

A felfedezés egyik legérdekesebb vonása, hogy a frakcionális Fermi-tengerben a részecskék a rendkívüli gerjesztettség ellenére sem viselkednek véletlenszerűen. A rendszerben olyan jellegzetes matematikai mintázatok figyelhetők meg, amelyek rejtett szerkezetre utalnak.

Ezek közé tartoznak a Friedel-oszcillációk: a részecskék kvantumviselkedéséhez kapcsolódó, hullámszerű sűrűségváltozások. A kutatók emellett szokatlan összefüggéseket találtak abban is, hogyan gyengül a részecskék közötti korreláció a távolság növekedésével, még viszonylag gyenge taszító kölcsönhatások esetén is.

Az eredmények azért jelentősek, mert eltérnek a Tomonaga–Luttinger-folyadék elméletének előrejelzéseitől. Ez az elméleti keret régóta fontos szerepet tölt be az egydimenziós, kölcsönható kvantumrendszerek leírásában.

„Ez az állapot erősen gerjesztett, de nem véletlenszerű. Olyan rejtett rendezettséget hordoz, amely a részecskék közötti korrelációkban válik láthatóvá” – mondta Hanns-Christoph Nägerl, a kutatócsoport vezetője.

A jelenség a kvázirészecskék természetével kapcsolatban is új kérdéseket vet fel. Ezek olyan kollektív gerjesztések, amelyek sok részecske összehangolt mozgásából születnek, mégis önálló részecskékhez hasonlóan viselkedhetnek. Nägerl szerint elképzelhető, hogy az új állapotban megjelenő különleges kvázirészecskék idővel saját elnevezést kapnak. „Talán szuperfermionoknak nevezhetnénk őket?” – vetette fel.

Új lehetőségek nyílhatnak a kvantumszimulációban

A frakcionális Fermi-tenger egy olyan különleges kvantumfázis lehet, amelynek tulajdonságai túlmutatnak az egydimenziós kvantumrendszerek eddig ismert leírásain. A felfedezés egyúttal a kvantumszimulációban rejlő lehetőségekre is rámutat.

Ezzel a módszerrel a kutatók ellenőrzött körülmények között létrehozott kvantumrendszereket használnak olyan fizikai jelenségek vizsgálatára, amelyeket más módon nehéz lenne megfigyelni vagy modellezni. A rendkívül hideg atomok különösen alkalmasak erre, mert a közöttük fellépő kölcsönhatások pontosan szabályozhatók.

Nägerl szerint a felfedezés azt mutatja, hogy a kvantumszimuláció nemcsak az ismert modellek reprodukálására alkalmas, hanem olyan állapotok létrehozására és vizsgálatára is, amelyek túllépnek a bevett elméleti kereteken.

A most megjelent tanulmány az új állapot elméleti alapjait fekteti le. A kutatócsoport egy kapcsolódó munkában a frakcionális Fermi-tenger kísérleti megvalósítását is bemutatja; ez a tanulmány jelenleg szakmai bírálat alatt áll. A két kutatás együtt új utakat nyithat a kvantumanyag rejtett rendezettségének és szokatlan kollektív viselkedésének megértésében.