Новини України
Підбірка новин з українських джерел
Вчені створили нову екзотичну форму матерії
На межі абсолютного нуля, де температура майже зупиняє рух атомів, фізика починає поводитися зовсім не так, як у звичному світі. Саме там дослідники зіткнулися з новою, надзвичайно дивною формою квантової матерії, яку можна описати як своєрідне «море частинок» із нетиповими правилами поведінки.
Коли атоми охолоджують до температур, що лише на частки градуса перевищують абсолютний нуль (-273,15 °C), вони можуть втрачати звичні властивості. У таких умовах виникають надплинні стани, надпровідність і колективна поведінка, коли частинки починають діяти як єдиний об’єкт.
У новому експерименті фізики працювали з двома фундаментальними типами частинок. Бозони можуть «накладатися» одна на одну, формуючи узгоджені хвилеподібні стани. Натомість ферміони підкоряються принципу Паулі, який забороняє їм займати однакові квантові стани — саме тому речовина у Всесвіті має стабільну структуру.
Команда дослідників створила бозе-газ із приблизно 70 тисяч атомів цезію, охолоджених до кількох нанокельвінів. Потім цю надхолодну систему помістили у вузькі «квантові труби», сформовані лазерною решіткою, яка дозволила контролювати рух атомів у майже одномірному просторі.
Далі почалося найцікавіше: вчені змушували систему проходити цикли взаємодії, по черзі змінюючи відштовхування та притягання між атомами. Замість хаосу чи нагрівання система несподівано самоорганізувалася в новий квантовий стан.
Результатом став так званий «дробовий фермі-море» — стан матерії, який не є ні типовим бозе-газом, ні класичним фермі-середовищем. У ньому квантові стани заповнюються частково, що раніше вважалося можливим лише в теорії або в надзвичайно специфічних умовах низької розмірності.
Науковці відзначають, що ця система не є випадковою. Вона демонструє прихований порядок, який проявляється через кореляції між частинками та характерні хвильові структури, відомі як осциляції Фріделя.
Фізики поки що не мають остаточної назви для нового стану матерії, жартома пропонуючи навіть термін «суперферміони». Проте суть відкриття серйозна: дослідники отримали новий інструмент для моделювання квантових систем, які раніше були недоступні для експериментального вивчення.
Це відкриття може мати далекосяжні наслідки. Подібні квантові стани здатні допомогти у розвитку квантових обчислень, надточних сенсорів, нових матеріалів і технологій шифрування.
Дослідження опубліковане у журналі Physical Review Letters.
Пов'язані матеріали
При найнижчих температурах у Всесвіті фізика стає дивною.Коли атоми охолоджуються до температури, близької до абсолютного нуля (-273,15°C), вони можуть проводити електрику без опору, ставати 'суперчастинками' або текти без тертя.Існування на найменших, найхолодніших масштабах підпорядковується квантовій статистиці, яка визначає поведінку бозонів і ферміонів: двох сімей фундаментальних частинок, з яких складається все у Всесвіті.Бозони є частинками, що несуть сили, як фотони або знаменитий бозон Хіггса. Вони можуть займати один і той же квантовий стан, що означає, що безліч бозонів можуть 'перекриватися' і діяти як когерентні хвилі.Ферміони, такі як електрони і кварки, що складають протони і нейтрони, не можуть 'перекриватися', оскільки лише один ферміон може займати квантовий стан.Нещодавно фізики застосували ці принципи, щоб експериментально і теоретично описати нову дивну фазу квантової матерії, схожу на море самоорганізованих частинок.Дослідники спочатку створили екзотичний стан матерії, відомий як бозонний газ, що складається з приблизно 70 000 атомів цезію, охолоджених до температури всього кількох нанокельвін, що еквівалентно мільярдам часток градуса вище абсолютного нуля.У таких екстремальних умовах атоми втрачають свою індивідуальність і починають діяти як єдине ціле.Дослідники потім обмежили цю унікальну речовину в одномірних трубках, створених за допомогою двовимірної оптичної решітки, що затримує атоми для спостереження.Вони піддали цю матерію повторюваним циклам взаємодії, в яких атоми спочатку сильно відштовхувалися, а потім притягувалися один до одного.Таким чином, вони створили абсолютно нову, несподівано екзотичну фазу квантової матерії, відому як дробове море Фермі.Цей стан є високозбудженим, але не випадковим. Він має прихований порядок, який стає видимим у його кореляціях.Цікавий фактДослідження нових квантових станів матерії може допомогти покращити технології квантової інформації та сенсорики, що має величезний потенціал для розвитку матеріалознавства та біомедицини.