Fysikere har avdekket en ny form for kvanteatferd som utfordrer etablerte teorier om hvordan partikler organiserer seg. Forskerne kaller tilstanden et «fraksjonelt Fermi-hav».

Studien er publisert i Physical Review Letters og er utført av forskere fra gruppen ledet av Hanns-Christoph Nägerl, i samarbeid med teoretisk fysiker Alvise Bastianello ved CNRS og Université Paris-Dauphine. Arbeidet beskriver hvordan den uvanlige tilstanden kan konstrueres ved hjelp av ultrakalde cesiumatomer.

Atomenes vekselvirkning ble gjentatte ganger endret mellom sterk frastøting og sterk tiltrekning. I stedet for å bli fullstendig uordnet, organiserte partiklene seg i en konfigurasjon som skiller seg fra kvantesystemene forskere vanligvis studerer.

De teoretiske resultatene danner grunnlaget for nyere eksperimentell forskning utført av Nägerls gruppe ved Institutt for eksperimentell fysikk.

Presset langt utenfor normaltilstanden

Under vanlige forhold følger kvantepartikler veletablerte regler for hvordan de fordeler seg, særlig ved ekstremt lave temperaturer. Fermioner, en partikkeltype som blant annet omfatter elektroner, kan ikke alle befinne seg i samme kvantetilstand. Derfor fyller de tilgjengelige energinivåer etter bestemte regler.

Ved svært lave temperaturer danner denne fordelingen det fysikere kaller et Fermi-hav. Forskerne ville undersøke hva som skjer når betingelsene som normalt styrer partiklene, bevisst forstyrres.

«Fermions, for instance, stack neatly into the available energy states to form the so-called 'Fermi sea'. But what happens if one forces interacting atoms to continuously cycle through extreme conditions, smoothly shifting them from strongly repelling each other to strongly attracting each other?»

Sitatet er fra Alvise Bastianello.

For å undersøke dette studerte forskerne ultrakalde cesiumatomer i et endimensjonalt system. Atomene var dermed begrenset til å bevege seg langs én retning, noe som gir høy kontroll over kvantevekselvirkningene.

Forskerne beregnet hva som skjer når vekselvirkningen mellom atomene justeres gjentatte ganger mellom kraftig frastøting og tiltrekning. Beregningene viste at atomene kunne drives fra grunntilstanden, systemets laveste tilgjengelige energitilstand, til en tilstand med svært høy energi uten å miste den underliggende organiseringen.

Navnet «fraksjonelt Fermi-hav» viser til at partiklene ser ut til å følge en modifisert regel for hvordan kvantetilstander fylles.

«Instead of simply heating the system, the interaction cycle reorganizes the atoms into a new many-body state,»

Det sier Yi Zeng, som er førsteforfatter av studien. Han beskriver metoden som en kontrollert måte å utforske kvantematerie utenfor de vanlige likevektsmodellene.

Skjult orden i en energirik tilstand

En av de mest bemerkelsesverdige egenskapene ved det fraksjonelle Fermi-havet er at partiklene fortsatt er organiserte selv om systemet er drevet langt fra likevekt.

I fysikken beskriver likevekt en situasjon der et systems samlede egenskaper har stabilisert seg i en balanse. Systemer som drives langt fra likevekt, kan oppføre seg komplisert og uventet. Det gjør dem vanskelige å beskrive teoretisk.

Det fraksjonelle Fermi-havet framstår likevel ikke bare som en samling eksiterte partikler som beveger seg tilfeldig. Forskerne fant matematiske mønstre som viser at systemet har en dypere struktur.

Blant mønstrene er tydelige krusninger kalt Friedel-oscillasjoner. Dette er bølgelignende variasjoner som henger sammen med hvordan kvantepartikler påvirker hverandre. Forskerne fant også uvanlige mønstre i hvordan korrelasjonene mellom partiklene avtar når avstanden øker, selv når den frastøtende vekselvirkningen er relativt svak.

Disse kjennetegnene skiller seg fra det som forventes ut fra Tomonaga–Luttinger-væsketeorien, et veletablert rammeverk for å beskrive vekselvirkende kvantepartikler i endimensjonale systemer.

Resultatene peker derfor mot en type kvanteatferd som ikke fullt ut kan beskrives med denne teorien.

«This state is highly excited, but it is not random. It has a hidden order that becomes visible in its correlations.»

Det sier Hanns-Christoph Nägerl, som leder forskergruppen.

Kan gi nye typer kvasipartikler

Atferden reiser også spørsmål om hvilke effektive partikler som oppstår i systemet. Fysikere kaller slike kollektive eksitasjoner for kvasipartikler. De kan oppføre seg som individuelle partikler, selv om de egentlig oppstår gjennom samordnet bevegelse hos mange vekselvirkende partikler.

Nägerl mener de uvanlige eksitasjonene etter hvert kan fortjene et eget navn.

«We are not yet sure how we should name these new quasiparticles. Perhaps 'super-Fermions'?»

Oppdagelsen tyder på at fraksjonelle Fermi-hav kan være en eksotisk kritisk fase av kvantematerie. Fasen har særegne mønstre i partikkelkorrelasjonene som går utover eksisterende beskrivelser av endimensjonale kvantesystemer.

Arbeidet viser samtidig hvordan kvantesimulering kan brukes til å undersøke fysisk atferd som ellers er vanskelig å gjenskape eller studere. I slike eksperimenter brukes nøye kontrollerte kvantesystemer som modeller for mer kompliserte fenomener.

Ultrakalde atomer er spesielt nyttige fordi forskerne kan justere vekselvirkningene mellom dem med stor presisjon og observere hvordan kvantetilstanden endrer seg.

Målet er dermed ikke bare å gjenskape fenomener som allerede er forstått gjennom etablerte teorier. Forskerne kan også konstruere og undersøke tilstander som åpner for nye muligheter.

«The discovery of fractional Fermi seas shows how far we can push quantum simulation: not only reproducing known models, but creating and probing states that go beyond established paradigms.»

Det sier Nägerl.

Eksperimentell studie under fagfellevurdering

Den aktuelle publikasjonen etablerer det teoretiske rammeverket for fraksjonelle Fermi-hav. En ledsagende studie som beskriver hvordan tilstanden er realisert gjennom kvantesimulering, er under fagfellevurdering.

Samlet peker forskningen mot nye måter å undersøke grunnleggende egenskaper ved kvantematerie på. Det gjelder blant annet uvanlige kollektive eksitasjoner og skjulte former for orden som først blir synlige når partiklene presses langt utenfor sine normale betingelser.