Холод творить чудеса.
Якщо охолодити речовину майже абсолютного нуля, звичні закони фізики перестають працювати. Електрони починають рухатися без опору, атоми здатні дертися по стінках, подібно до павуків. Все стає розпливчастим і підпорядковується не ньютонівської логіки, а квантової статистики.
Цей мікроскопічний світ ділиться на два табори: бозони та ферміони.
Бозони, такі як фотони, – справжні «товариські тусовщики». Вони здатні збиватися в купу, займаючи один і той же простір і поводячись як єдина когерентна хвиля. Ферміони? З ними так не вийде. Принцип заборони Паулі не дозволяє їм перебувати в одному квантовому стані. Кожен електрон повинен залишатися у своїй «смузі руху». Саме це правило рятує нейтронні зірки від колапсу до чорних дірок — досить вагома відповідальність для такого дрібного обмеження.
Але що якщо спробувати порушити ці правила?
Фізики хотіли зрозуміти, що станеться, якщо змусити атоми швидко перемикатися між режимами взаємного відштовхування та тяжіння.
«Що станеться, якщо змусити атоми, що взаємодіють, постійно проходити цикл через екстремальні умови?»
Для експерименту Альвізе Бастанелло та його команда взяли близько 70 000 атомів цезію. Їх охолодили до нанокельвінів. Стало так холодно, що атоми перестали поводитись як окремі частинки і почали діяти як єдине, розмите ціле бозе-газ.
Цей газ помістили у лазерні пастки, обмеживши його рух лише одним виміром. А потім настав ключовий момент.
Систему почали імпульсно впливати: відштовхування, тяжіння, відштовхування, тяжіння. Знову і знову.
На диво результатом став не хаос.
Зазвичай такий приплив енергії нагріває систему, змушуючи частки хаотично розлітатися. Але тут сталося щось інше: атоми самоорганізувалися і перейшли в несподіваний стан — дрібне фермі-море (fractional Fermi sea).
Подумайте про це. Ферміони що неспроможні накладатися друг на друга; вони залишаються поділеними. Бозони ж, навпаки, можуть “накладатися”. Цей новий стан є чимось середнім між ними. Квантові стани заповнені лише частково, створюючи якийсь «глючний» гібрид, який, мабуть, здатний існувати лише у таких багатовимірних пастках.
Іі Цзен, який очолював дослідження в Інсбруку, називає це новим багатоквантовим станом.
«Замість просто нагрівати систему, — пояснює Цзен, — цикл взаємодії призводить до її реорганізації».
Ханнс-Крістоф Нагерл зазначає, що порядок прихований, але він є. Його можна побачити в брижах на даних: спостерігалися осциляції Фріделя — незаперечний доказ того, що це не просто випадковий шум. Це структура. Крихкий, складний порядок, народжений із порушень стабільності, що повторюються.
Вчені поки навіть не знають, як назвати квазічастинки, що беруть участь у процесі. “Супер-ферміони?” – Жартує Нагерл.
Можливо.
Навіщо це все потрібно?
Тому що це ламає існуючі парадигми. Більшість симуляцій лише відтворюють відомі нам явища. Ця ж установка створила стан, про який ще не написано у підручниках. Це передбачає, що квантові симулятори можуть робити більше, ніж просто імітувати природу: вони здатні «винаходити» нову фізику, допомагаючи зрозуміти, як реальність виникає із квантової «супової» суміші.
Наступним кроком на горизонті, ймовірно, стануть точніші квантові датчики. Або надійніше шифрування. Або матеріали, про які ми ще не мріяли.
На даний момент вчені мають море, яке не повинно було існувати. І їхнє дослідження далеко не завершено.
