这项研究表明，当量子粒子被推离其正常平衡条件很远时，如何涌现出一种新的物质临界相。利用受限于一维的超冷铯原子，研究人员反复改变粒子间相互作用的强度。由此产生的状态超出了著名的Tomonaga-Luttinger液体理论所预测的行为范围，该理论是理解一维量子系统的基石。
本出版物为实验物理系Hans-Christoph Nägerl小组近期开展的实验研究提供了理论框架。
构建分数费米海
在极低温度下，量子粒子通常遵循决定其排列方式的严格规则。正如Alvise Bastianello所解释的：
“例如，费米子整齐地堆叠进入可用的能态，形成所谓的‘费米海’。但是，如果迫使相互作用中的原子在极端条件下连续循环，使其平滑地从强排斥转变为强吸引，会发生什么呢？”
研究人员发现，小心地重复这一相互作用循环会将原子驱离其正常基态，进入一种高度激发但组织得惊人的构型。他们称这种状态为“分数”费米海，因为粒子似乎遵循一种缩减的占据规则。
“相互作用循环并没有简单地加热系统，而是将原子重组为一种新的多体态，”该研究的第一作者Yi Zeng说道，“这为我们提供了一种探索超越常规平衡范式的量子物质的受控方法。”
激发量子态中的隐藏有序
新创建的状态显示出几个不寻常的特征。粒子间的数学关联揭示了显著的波纹，即弗里德尔振荡，以及在所有排斥相互作用水平上独特的衰减行为。
也许最重要的是，该状态表现出的性质与Tomonaga-Luttinger液体预期的性质不同，而后者长期以来一直是一维量子物质的标准描述。
“这种状态是高度激发的，但并非随机，”课题组组长Hanns-Christoph Nägerl说道，“它具有一种隐藏的有序，这种有序在其关联中变得可见。”
他补充道：“我们还不确定该如何命名这些新的准粒子。也许叫‘超费米子’？”
一种新的物质临界相
这些独特的特征表明存在一种全新的奇异临界相。这一发现为利用冷原子模拟器研究普适量子行为提供了一条新途径。
正如Hanns-Christoph Nägerl所说：“分数费米海的发现展示了我们在量子模拟方面能走多远：不仅重现已知模型，还能创造和探测超越既有范式的状态。”
一篇描述通过量子模拟实验实现分数费米海的配套论文目前正在评审中。