Denge dışı sezyum atomları fraksiyonel Fermi denizlerini açığa çıkararak yeni kritik kuantum fazını açığa çıkarır

Yayınlanan yeni bir çalışmada Fiziksel İnceleme MektuplarıNägerl grubundan bir ekip, CNRS ve Paris-Dauphine Üniversitesi’nden teori işbirlikçisi Alvise Bastianello ile birlikte, “kesirli Fermi denizleri” olarak bilinen son derece sıra dışı kuantum durumlarının kuantum mühendisliğiyle tasarlanabileceğini gösteriyor.

Kuantum parçacıklarının (burada, tek boyutlu hapsedilmiş aşırı soğuk sezyum atomları) parçacık etkileşimindeki döngüsel değişiklikler yoluyla dengenin çok dışına itilmesiyle, ünlü Tomonaga-Luttinger sıvı teorisinden bilinenin ötesine geçen, maddenin yeni bir kritik fazı ortaya çıkar. Yeni yayın, Deneysel Fizik Bölümü’nde Hanns-Christoph Nägerl grubundaki son deneysel çalışmalara teorik destek ve temel teşkil ediyor.

Kuantum dünyasındaki parçacıklar genellikle düşük sıcaklıklarda kendilerini nasıl organize edecekleri konusunda katı kurallara uyarlar. Bastianello’nun açıkladığı gibi, “Örneğin, Fermiyonlar, ‘Fermi denizi’ni oluşturmak için mevcut enerji durumlarına düzenli bir şekilde yığılırlar. Peki, etkileşim halindeki atomları aşırı koşullar altında sürekli döngüye zorlarsak ve onları güçlü bir şekilde birbirlerini iten durumdan birbirlerini güçlü bir şekilde çeken duruma sorunsuz bir şekilde geçirirsek ne olur?”

Araştırmacılar, belirli bir etkileşim döngüsünün, başlangıçtaki temel durum atomlarını oldukça heyecanlı, ancak oldukça düzenli, dengesiz bir konfigürasyona zorladığını gösteriyor. Bu, parçacıkların görünüşte azaltılmış doluluk kuralını takip ettiği “kesirli” Fermi denizi olarak adlandırılmıştır.

Araştırmanın başyazarı Yi Zeng, “Etkileşim döngüsü, sistemi basitçe ısıtmak yerine, atomları yeni bir çok cisimli duruma yeniden organize ediyor” diyor. “Bu bize kuantum maddesini olağan denge paradigmalarının ötesinde keşfetmemiz için kontrollü bir yol sağlıyor.”

Bu kısmi durumun sonuçları çarpıcıdır. Parçacıklar arasındaki matematiksel korelasyonlar, Friedel salınımları olarak bilinen belirgin dalgalanmaları ve itici etkileşimin herhangi bir seviyesinde farklı bozunum modellerini gösteriyor. En önemlisi, bu yeni durum, tek boyutlu kuantum sistemlerini anlamak için uzun süredir yerleşik bir model olan Tomonaga-Luttinger sıvılarından farklı özellikler gösteriyor.

Nägerl, “Bu durum son derece heyecanlı ama rastgele değil” diyor. “Bağlantılarında görünür hale gelen gizli bir düzeni var.” Şunları ekliyor: “Bu yeni yarı parçacıklara ne ad vermemiz gerektiğinden henüz emin değiliz. Belki ‘süper Fermiyonlar’ olabilir?”

Bu spesifik imzaların ortaya çıkışı, tamamen yeni, egzotik bir kritik aşamaya işaret ediyor ve soğuk atom kuantum simülatörlerinde evrensel davranışı keşfetmek için yeni yollar açıyor. Nägerl’in söylediği gibi, “Kesirli Fermi denizlerinin keşfi, kuantum simülasyonunu ne kadar ileri götürebileceğimizi gösteriyor: yalnızca bilinen modelleri yeniden üretmekle kalmıyor, aynı zamanda yerleşik paradigmaların ötesine geçen durumları yaratıp araştırıyoruz.”

Kesirli Fermi denizlerinin kuantum simülasyonu ruhuyla deneysel olarak gerçekleştirilmesine ilişkin kardeş yayın halen incelenmektedir ve şu adreste mevcuttur: arXiv ön baskı sunucusu.