В условиях экстремально низких температур материя демонстрирует контринтуитивные свойства. При приближении к абсолютному нулю атомы обретают способность проводить ток без малейшего сопротивления, образуют конденсированные «суперчастицы» или обретают сверхтекучесть, позволяющую им преодолевать гравитацию и подниматься по стенкам резервуаров.
На фундаментальном уровне поведение микромира жестко регламентировано квантовой статистикой, которая разграничивает все известные частицы Вселенной на два ключевых семейства: бозоны и фермионы.
Бозоны — переносчики взаимодействий, такие как фотоны или бозон Хиггса — обладают уникальной способностью занимать одно и то же квантовое состояние. Это позволяет им накладываться друг на друга в неограниченных количествах, формируя единое когерентное волновое поле.
Фермионы (электроны, кварки) подчиняются принципу запрета Паули: каждая частица требует уникального квантового состояния. Именно этот «запрет на перекрытие» препятствует гравитационному коллапсу звездных остатков, таких как белые карлики и нейтронные звезды, не позволяя им превратиться в сингулярность.
Группа ученых недавно представила результаты исследования новой фазы квантовой материи, которую можно описать как высокоорганизованное «море» частиц.
«В обычном состоянии фермионы заполняют энергетические уровни, создавая так называемое «море Ферми»», — поясняет Альвизе Бастианелло, теоретик из CNRS и Университета Париж-Дофин. — «Однако мы задались вопросом: что произойдет, если заставить систему атомов циклически осциллировать между режимами сильного отталкивания и интенсивного притяжения?»
Для поиска ответа исследователи сформировали бозе-газ, состоящий из 70 000 атомов цезия, охлажденных до нанокельвиновых температур. В столь жестких условиях индивидуальные свойства атомов стираются, и система начинает функционировать как единый неделимый объект.
С помощью двумерной лазерной решетки атомы были сжаты в одномерные «трубки» для точного мониторинга. Затем к системе применили протокол повторяющихся взаимодействий, динамически переключая атомы между фазами отталкивания и притяжения.
Итогом стала демонстрация принципиально новой фазы материи — «дробного моря Ферми». Термин «дробное» отражает промежуточное состояние заполнения квантовых уровней, что становится возможным только при крайне ограниченной размерности системы.
«Циклические взаимодействия не просто нагревают систему, а реорганизуют структуру атомов в новое многочастичное состояние», — отмечает И Цзэн из Университета Инсбрука.
Руководитель научной группы профессор Ханнс-Кристоф Нэгерль добавляет: «Полученная фаза крайне энергична, но не хаотична. В ней прослеживается строгий внутренний порядок, скрытый в корреляциях между частицами».
Наличие специфических «осцилляций Фриделя» служит убедительным подтверждением существования этой фазы. Ученые пока дискутируют над терминологией, рассматривая вариант названия «суперфермионы» для описания данных квазичастиц.
Данная работа открывает перспективный вектор в квантовой физике, позволяя глубже понять механизмы того, как привычные нам свойства макромира проистекают из таинственных квантовых взаимодействий фундаментальных частиц.
