Μια ανακάλυψη που έρχεται να ανατρέψει τα όσα γνωρίζαμε για τον μικρόκοσμο της κβαντικής φυσικής πέτυχε μια διεθνής ομάδα επιστημόνων.
Για πρώτη φορά, οι ερευνητές κατάφεραν να «σπάσουν» τους καθιερωμένους κανόνες της επιστήμης και να δημιουργήσουν στο εργαστήριο μια εντελώς νέα, άγνωστη μέχρι σήμερα κατάσταση της ύλης.
Το επίτευγμα αυτό ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην κατανόηση του σύμπαντος, καθώς ξεπερνά τα όρια των μέχρι τώρα θεωριών. Επιστήμονες δημιούργησαν μια πρωτοφανή κβαντική κατάσταση, αποκαλύπτοντας μια νέα φάση της ύλης με κρυφή δομή, η οποία ξεπερνά τα όρια της συμβατικής θεωρίας.
Ερευνητές έδειξαν ότι μια ασυνήθιστη κβαντική κατάσταση, γνωστή ως «κλασματική θάλασσα Φέρμι», μπορεί να δημιουργηθεί τεχνητά, ανοίγοντας τον δρόμο για μια άγνωστη μέχρι πρότινος φάση της ύλης.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, εκπονήθηκε από την ερευνητική ομάδα του Nägerl, σε συνεργασία με τον θεωρητικό φυσικό Alvise Bastianello από το CNRS και το Πανεπιστήμιο Paris-Dauphine.
Η εργασία αυτή θέτει τα θεωρητικά θεμέλια για το πρόσφατο πειραματικό έργο της ομάδας του Hans-Christoph Nägerl στο Τμήμα Πειραματικής Φυσικής.
Δημιουργώντας μια νέα κβαντική κατάσταση
Η ομάδα επικεντρώθηκε σε υπερψυχρά άτομα καισίου, περιορισμένα σε μία μόνο διάσταση. Μεταβάλλοντας επαναλαμβανόμενα την ένταση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων —κλείνοντάς τα σε διαδοχικούς κύκλους ισχυρής απώθησης και ισχυρής έλξης— ώθησαν το σύστημα μακριά από τη φυσική του κατάσταση ισορροπίας.
Αντί να συμπεριφερθούν σύμφωνα με την καλά εδραιωμένη θεωρία υγρών Tomonaga-Luttinger, τα άτομα εισήλθαν σε μια εντελώς νέα, κρίσιμη φάση της ύλης. Αυτή η νέα, θεωρητικά προβλεπόμενη φάση προκύπτει μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται «κβαντική μηχανική» (quantum engineering).
Η εξέλιξη αυτή δείχνει ότι οι προσεκτικά ελεγχόμενοι κύκλοι αλληλεπίδρασης μπορούν να παράγουν μορφές κβαντικής ύλης που δεν απαντώνται φυσικά υπό κανονικές συνθήκες.
Τι είναι η «Κλασματική Θάλασσα Φέρμι»;
Σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, τα κβαντικά σωματίδια κανονικά διατάσσονται σύμφωνα με καλά ορισμένους κανόνες. Όπως εξηγεί ο Alvise Bastianello: «Τα φερμιόνια, για παράδειγμα, στοιβάζονται τακτικά στις διαθέσιμες ενεργειακές καταστάσεις, σχηματίζοντας τη λεγόμενη “θάλασσα Φέρμι”. Τι συμβαίνει όμως αν αναγκάσει κανείς τα αλληλεπιδρώντα άτομα να περνούν συνεχώς μέσα από ακραίες συνθήκες, μετατοπίζοντάς τα ομαλά από την ισχυρή αμοιβαία απώθηση στην ισχυρή αμοιβαία έλξη;»
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτός ο προσεκτικά σχεδιασμένος κύκλος αλληλεπίδρασης οδηγεί τα άτομα από τη θεμελιώδη κατάστασή τους σε μια εξαιρετικά διεγερμένη, αλλά παραδόξως οργανωμένη κατάσταση εκτός ισορροπίας.
Ονομάζουν αυτή την ασυνήθιστη διάταξη «κλασματική» θάλασσα Φέρμι, επειδή τα σωματίδια φαίνεται να υπακούουν σε έναν κανόνα μειωμένης πληρότητας καταστάσεων. «Αντί να θερμάνει απλώς το σύστημα, ο κύκλος αλληλεπίδρασης αναδιοργανώνει τα άτομα σε μια νέα κατάσταση πολλών σωμάτων (many-body state)», αναφέρει ο Yi Zeng, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτό μας προσφέρει έναν ελεγχόμενο τρόπο να εξερευνήσουμε την κβαντική ύλη πέρα από τα συνήθη υποδείγματα ισορροπίας».
Κρυφή δομή πέρα από την καθιερωμένη θεωρία
Η κλασματική θάλασσα Φέρμι παρουσιάζει αρκετά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Οι μαθηματικές σχέσεις μεταξύ των σωματιδίων παράγουν έντονες κυματώσεις, γνωστές ως «ταλαντώσεις Friedel» (Friedel oscillations), μαζί με χαρακτηριστικά μοτίβα εξασθένησης σε όλα τα επίπεδα απωστικής αλληλεπίδρασης.
Αυτά τα χαρακτηριστικά διαχωρίζουν σαφώς τη νέα κατάσταση από τα υγρά Tomonaga-Luttinger, τα οποία αποτελούν εδώ και καιρό το καθιερωμένο πλαίσιο για την περιγραφή μονοδιάστατων κβαντικών συστημάτων.
«Αυτή η κατάσταση είναι εξαιρετικά διεγερμένη, αλλά δεν είναι τυχαία», αναφέρει ο Hanns-Christoph Nägerl, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. «Διαθέτει μια κρυφή δομή που γίνεται ορατή στις συσχετίσεις της».
Ο ίδιος προσθέτει: «Δεν είμαστε ακόμη σίγουροι πώς πρέπει να ονομάσουμε αυτά τα νέα οιονεί σωματίδια (quasiparticles). Ίσως “υπερ-φερμιόνια” (super-Fermions);»
Ένα νέο σύνορο για την κβαντική προσομοίωση
Η μοναδική συμπεριφορά των κλασματικών θαλασσών Φέρμι υποδεικνύει μια εντελώς νέα, «εξωτική» κρίσιμη φάση της ύλης και προσφέρει στους ερευνητές έναν νέο τρόπο να διερευνήσουν την καθολική κβαντική συμπεριφορά χρησιμοποιώντας προσομοιωτές ψυχρών ατόμων.
Όπως εξηγεί ο Nägerl: «Η ανακάλυψη των κλασματικών θαλασσών Φέρμι δείχνει πόσο μακριά μπορούμε να φτάσουμε την κβαντική προσομοίωση: όχι μόνο να αναπαράγουμε γνωστά μοντέλα, αλλά να δημιουργούμε και να εξερευνούμε καταστάσεις που ξεπερνούν τα καθιερωμένα υποδείγματα».
Μια συνοδευτική επιστημονική δημοσίευση, η οποία περιγράφει την πειραματική υλοποίηση των κλασματικών θαλασσών Φέρμι μέσω κβαντικής προσομοίωσης, βρίσκεται επί του παρόντος υπό αξιολόγηση.
