Cold macht seltsame Dinge.
Lassen Sie Materie nahe dem absoluten Nullpunkt fallen und die Physik verstößt gegen die Regeln, die Sie in der High School gelernt haben. Elektronen bewegen sich ohne Widerstand. Atome klettern wie Spinnen an Wänden hoch. Alles wird unscharf und wird von der Quantenstatistik statt von der Newtonschen Logik gesteuert.
Zwei Lager beherrschen diese Mikrowelt: Bosonen und Fermionen.
Bosonen sind wie Photonen die Partytiere. Sie drängen sich im selben Raum und wirken wie eine zusammenhängende Welle. Fermionen? Auf keinen Fall. Das Pauli-Ausschlussprinzip verbietet ihnen die gemeinsame Nutzung von Quantenzuständen. Ein Elektron bleibt in seiner Spur. Diese Regel verhindert, dass Neutronensterne in Schwarze Löcher kollabieren, was für eine so kleine Einschränkung eine ziemlich schwere Aufgabe ist.
Aber was ist, wenn Sie sich an die Regeln halten?
Physiker wollten herausfinden, was passiert, wenn Atome gezwungen werden, schnell zwischen Abstoßung und gegenseitiger Anziehung hin und her zu wechseln.
„Was passiert, wenn man interagierende Atome dazu zwingt, ständig extreme Bedingungen zu durchlaufen?“
Um es zu testen, haben Alvise Bastianello und sein Team etwa 70.000 Cäsiumatome gesammelt. Sie kühlten sie auf Nanokelvin ab. Kalt genug, dass die Atome aufhörten, Individuen zu sein, und sich wie eine einzelne, verschwommene Einheit verhielten – ein Bose-Gas.
Sie haben dieses Gas in Laserröhren eingeschlossen. Nur eine Dimension. Dann kam der Kicker.
Sie haben das System gepulst. Abstoßen. Anziehen. Abstoßen. Immer wieder anziehen.
Das Ergebnis war kein Chaos.
Normalerweise heizt diese Art von Energie die Dinge auf. Verstreut Partikel zufällig. Aber hier? Die Atome organisierten sich neu. Sie fanden etwas Unerwartetes vor: ein fraktioniertes Fermi-Meer.
Denken Sie darüber nach. Fermionen stapeln sich nicht. Sie bleiben getrennt. Bosonen stapeln sich. Dieser neue Staat ist weder das eine noch das andere. Es liegt auf halbem Weg dazwischen. Die Quantenzustände sind teilweise gefüllt, ein glitchiger Hybrid, der wahrscheinlich nur in diesen niederdimensionalen Fallen überlebt.
Yi Zeng, der die Studie von Innsbruck aus leitete, nennt es einen neuen Vielteilchenzustand.
„Anstatt das System einfach nur zu erhitzen“, erklärt Zeng, „organisiert der Wechselwirkungszyklus die Atome neu.“
Hanns-Christoph Nägerl stellt fest, dass die Bestellung versteckt, aber da ist. Das sieht man an den Wellen. Die Daten zeigten Friedel-Oszillationen, der eindeutige Beweis dafür, dass es sich nicht nur um zufälliges Rauschen handelte. Es war eine Struktur. Eine fragile, komplexe Ordnung, die aus wiederholten Störungen entsteht.
Sie wissen noch nicht einmal, wie sie die beteiligten Teilchen nennen sollen. „Super-Fermionen?“ Nägerl scherzt.
Vielleicht.
Warum sich die Mühe machen?
Weil es das Paradigma bricht. Die meisten Simulationen reproduzieren lediglich das, was wir bereits wissen. Dieses Setup hat einen Zustand geschaffen, den Lehrbücher noch nicht geschrieben haben. Es legt nahe, dass Quantensimulatoren mehr können, als nur die Natur nachzuahmen; Sie können neue Physik erfinden, um zu untersuchen, wie aus der Quantensuppe die Realität entsteht.
Als nächstes sind wahrscheinlich bessere Quantensensoren in Sicht. Oder genauer: Verschlüsselung. Oder Materialien, von denen wir nicht einmal geträumt haben.
Im Moment haben sie nur ein Meer, das nicht existieren sollte. Und sie sind noch nicht fertig mit der Suche.
