Физики предсказывают, что два принципиально разных типа квантовых частиц могут объединиться в стабильную каплю при экстремальных условиях. Этот эффект может привести к открытию ранее неизвестных форм квантовой материи. Источник: Shutterstock

Исследователи предполагают, что сильно взаимодействующие бозоны и фермионы могут образовывать стабильные квантовые капли, что можно проверить с помощью современных экспериментов.

Два совершенно разных типа квантовых частиц могут объединяться в стабильную форму материи, что физики когда-то считали маловероятным. Исследователи из Университета Монаша предполагают, что ультрахолодные бозоны и фермионы могут объединяться при определенных условиях, образуя самосвязывающиеся «квантовые капли».

Бозоны и фермионы подчиняются принципиально разным квантовым законам, однако новая теоретическая работа показывает, что сильно взаимодействующие смеси этих двух частиц могут оставаться связанными друг с другом. Этот результат опровергает устоявшееся мнение о том, что в сильно взаимодействующих бозе-фермионных системах трудно сформировать стабильные капли.

Это открытие дает физикам-экспериментаторам возможность искать новое состояние материи и может улучшить понимание квантовых материалов, имеющих отношение к самым разным технологиям — от сверхточных датчиков до квантовых вычислений.

По словам ведущего автора исследования, кандидата наук из Университета Монаша Сэма Фостера из Школы физики и астрономии, полученные результаты позволяют исследовать ранее неизвестные квантовые состояния.

«Квантовые системы могут вести себя так, что это кажется невозможным в нашем повседневном мире. Мы показали, что эти два совершенно разных типа частиц могут идеально уравновешивать друг друга, создавая стабильную каплю, которая эффективно удерживает свою форму». 

Схема бозе-ферми-капельки, демонстрирующая уникальную фазу, которую исследователи наблюдают в рамках своей теории. Источник: Университет Монаша

Квантовое давление предотвращает схлопывание капель

Квантовая капелька удерживается вместе не так, как обычная жидкая капелька. Здесь притяжение между частицами уравновешивается давлением, создаваемым фермионами, что не дает системе схлопнуться, даже когда частицы слипаются.

По словам Сэма, новая теоретическая концепция устраняет давнее ограничение в описании таких систем.

«Предыдущие теории могли описать эти системы только в том случае, если частицы взаимодействовали относительно слабо. Наш новый подход позволяет исследовать, что происходит, когда эти взаимодействия становятся намного сильнее, а именно в таких условиях возникает самая интересная физика».

Существующие эксперименты могли бы подтвердить это предсказание

Расчеты показывают, что такие капли можно создать с помощью уже существующих экспериментов с ультрахолодными атомами, что делает экспериментальную проверку реалистичным следующим шагом.

Исследователи также обнаружили признаки квантового поведения, напоминающего переход между жидким и газообразным состояниями. Этот результат говорит о том, что система может поддерживать более широкий и сложный спектр квантовых фаз, чем сами капли.

По словам Сэма, это открытие имеет значение не только для изучения ультрахолодных атомов.

«Понимание того, как материя самоорганизуется в экстремальных квантовых условиях, дает нам новые инструменты для проектирования и управления квантовыми системами. Несмотря на то, что это фундаментальное исследование, подобные открытия часто становятся основой для квантовых технологий будущего».