EKSPERIMENTALNI fizičari stvorili su nov, egzotičan oblik kvantne materije, opisan kao more samoorganizirajućih čestica, što predstavlja značajan korak u razumijevanju temeljnih zakona svemira. Ovo otkriće pomiče granice kvantne simulacije i otvara nove puteve za istraživanje fundamentalne stvarnosti, piše Science Alert.

Neobična fizika apsolutne nule

Na najnižim temperaturama u svemiru, tek koji djelić stupnja iznad apsolutne nule (-273,15 °C), zakoni fizike postaju izrazito neobični. Atomi se mogu pretvoriti u supravodiče koji provode struju bez otpora, postati oblaci 'superčestica' ili teći bez trenja, čak i prkoseći gravitaciji penjući se uz stijenke posuda. Ovim najmanjim i najhladnijim razinama vladaju kvantne statistike, koje određuju ponašanje dviju obitelji fundamentalnih čestica: bozona i fermiona.

Bozoni, poput fotona ili Higgsovog bozona, čestice su prijenosnici sile. Oni mogu zauzimati isto kvantno stanje, što im omogućuje da se preklapaju i ponašaju kao jedinstveni, koherentni val. S druge strane, fermioni, poput elektrona i kvarkova koji tvore protone i neutrone, podliježu Paulijevom principu isključenja.

To znači da samo jedan fermion može zauzeti određeno kvantno stanje, što objašnjava zašto se neutronske zvijezde i bijeli patuljci ne urušavaju u crne rupe.

Stvaranje novog stanja materije

Nedavno su fizičari teorijski i eksperimentalno opisali novu fazu materije. Teorijski fizičar Alvise Bastianello s Francuskog nacionalnog centra za znanstvena istraživanja (CNRS) i Sveučilišta Paris-Dauphine postavlja ključno pitanje: "Fermioni se uredno slažu u dostupna energetska stanja i formiraju takozvano 'Fermijevo more'. No, što se događa ako se atome koji međusobno djeluju prisili da neprestano prolaze kroz ekstremne uvjete, glatko ih prebacujući iz stanja snažnog odbijanja u stanje snažnog privlačenja?"

Kako bi pronašli odgovor, istraživači su prvo stvorili egzotično stanje nazvano Boseov plin. Koristili su oko 70.000 atoma cezija ohlađenih na nevjerojatnu temperaturu od svega nekoliko nanokelvina - milijarditih dijelova stupnja iznad apsolutne nule.

U takvim uvjetima, atomi gube individualnost i ponašaju se kao jedinstven entitet. Tu su tvar zatim zarobili unutar jednodimenzionalnih cijevi pomoću mreže lasera, poznate kao optička rešetka.

Frakcijsko Fermijevo more

Ključni korak bio je podvrgavanje materije ciklusima interakcije, potičući atome naizmjenično na snažno odbijanje i privlačenje. Time su stvorili potpuno novu i neočekivano egzotičnu fazu kvantne materije - frakcijsko Fermijevo more.

Dok bozoni mogu neograničeno zauzimati kvantna stanja, a fermioni samo po jedan, 'frakcionalnost' ovog mora predstavlja svojevrsno međustanje gdje kvantna stanja mogu biti samo djelomično zauzeta.

Ciklički impulsi privlačenja i odbijanja doveli su do iznenađujućeg rezultata. Umjesto da zagriju sustav ili nasumično rasprše čestice, ciklusi su djelovali suprotno. "Umjesto da jednostavno zagrijava sustav, ciklus interakcije reorganizira atome u novo višedijelno stanje", objašnjava Yi Zeng, fizičar sa Sveučilišta u Innsbrucku i vodeći autor studije.

Skriveni red i "super-fermioni"

Voditelj istraživanja Hanns-Christoph Nägerl, profesor eksperimentalne kvantne fizike na Sveučilištu u Innsbrucku, dodaje da je ovo stanje visoko pobuđeno, ali ne i nasumično. "Ono ima skriveni red koji postaje vidljiv u njegovim korelacijama", kaže Nägerl.

Dokaz postojanja frakcijskog Fermijevog mora su i takozvane Friedelove oscilacije, specifične valovitosti uočene u sustavu. Zbog neuobičajeno složenih interakcija, istraživači još nisu sigurni kako nazvati novootkrivene kvazičestice. "Možda 'super-fermioni'?" predlaže Nägerl.

Implikacije za buduću tehnologiju

Ovaj eksperiment otvara jedinstven prozor za proučavanje interakcija u kvantnim sustavima hladnih atoma te pomaže u razumijevanju kako naša makroskopska stvarnost proizlazi iz neobičnih pojava na najtemeljnijim razinama.

"Otkriće frakcijskih Fermijevih mora pokazuje koliko daleko možemo pomaknuti granice kvantne simulacije: ne samo reproducirajući poznate modele, već stvarajući i istražujući stanja koja nadilaze ustaljene paradigme", ističe Nägerl.

Rezultati ovog rada mogli bi unaprijediti kvantno računarstvo i senzore, omogućujući iznimno preciznu obradu podataka i mjerenja. Potencijalne primjene su goleme, od znanosti o materijalima i biomedicine do tehnologija šifriranja. Istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters, a dostupno je i na poslužitelju za predobjave arXiv.