Холод творит чудеса.
Если охладить вещество почти до абсолютного нуля, привычные законы физики перестают работать. Электроны начинают двигаться без сопротивления, атомы способны карабкаться по стенкам, подобно паукам. Всё становится расплывчатым и подчиняется не ньютоновской логике, а квантовой статистике.
Этот микроскопический мир делится на два лагеря: бозоны и фермионы.
Бозоны, такие как фотоны, — настоящие «общительные тусовщики». Они способны сбиваться в кучу, занимая одно и то же пространство и ведя себя как единая когерентная волна. Фермионы? С ними так не получится. Принцип запрета Паули не позволяет им находиться в одном квантовом состоянии. Каждый электрон должен оставаться в своей «полосе движения». Именно это правило спасает нейтронные звёзды от коллапса в чёрные дыры — довольно весомая ответственность для столь мелкого ограничения.
Но что, если попробовать нарушить эти правила?
Физики хотели понять, что произойдёт, если заставить атомы быстро переключаться между режимами взаимного отталкивания и притяжения.
«Что случится, если заставить взаимодействующие атомы постоянно проходить цикл через экстремальные условия?»
Для эксперимента Альвизе Бастанелло и его команда взяли около 70 000 атомов цезия. Их охладили до нанокельвинов. Стало так холодно, что атомы перестали вести себя как отдельные частицы и стали действовать как единое, размытое целое — бозе-газ.
Этот газ поместили в лазерные ловушки, ограничив его движение только одним измерением. А затем наступил ключевой момент.
Систему начали импульсно воздействовать: отталкивание, притяжение, отталкивание, притяжение. Снова и снова.
На удивление, результатом стал не хаос.
Обычно подобный приток энергии нагревает систему, заставляя частицы хаотично разлетаться. Но здесь произошло нечто иное: атомы самоорганизовались и перешли в неожиданное состояние — дробное ферми-море (fractional Fermi sea).
Подумайте об этом. Фермионы не могут накладываться друг на друга; они остаются разделёнными. Бозоны же, напротив, могут «накладываться». Это новое состояние является чем-то средним между ними. Квантовые состояния заполнены лишь частично, создавая некий «глючный» гибрид, который, вероятно, способен существовать только в таких многомерных ловушках.
Ии Цзэн, возглавлявший исследование в Инсбруке, называет это новым многоквантовым состоянием.
«Вместо того чтобы просто нагревать систему, — объясняет Цзэн, — цикл взаимодействия приводит к её реорганизации».
Ханнс-Кристоф Нагерл отмечает, что порядок скрыт, но он есть. Его можно увидеть в рябь на данных: наблюдались осцилляции Фриделя — неопровержимое доказательство того, что это не просто случайный шум. Это структура. Хрупкий, сложный порядок, рождённый из повторяющихся нарушений стабильности.
Учёные пока даже не знают, как назвать участвующие в процессе квазичастицы. «Супер-фермионы?» — шутит Нагерл.
Возможно.
Зачем всё это нужно?
Потому что это ломает существующие парадигмы. Большинство симуляций лишь воспроизводят уже известные нам явления. Эта же установка создала состояние, о котором ещё не написано в учебниках. Это предполагает, что квантовые симуляторы могут делать больше, чем просто имитировать природу: они способны «изобретать» новую физику, помогая понять, как реальность возникает из квантовой «суповой» смеси.
Следующим шагом на горизонте, вероятно, станут более точные квантовые датчики. Или более надёжное шифрование. Или материалы, о которых мы ещё не мечтали.
На данный момент у учёных есть море, которое не должно было существовать. И их исследование далеко не завершено.
