研究人员表明，超冷原子可被驱动进入一种被称为“分数费米海”的奇异新量子态，其中的粒子以意想不到的方式自组织。这一发现指向了一种超越既定量子理论的新物质相，并有望拓展量子模拟的可能性。
这项研究展示了当量子粒子被推离其正常平衡条件很远时，一种新的临界物质相是如何出现的。利用限制在一维中的超冷铯原子，研究人员反复改变粒子之间相互作用的强度。由此产生的状态超出了著名的朝永-鲁廷格（Tomonaga-Luttinger）液体理论所预测的行为，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 小组进行的最新实验研究提供了理论框架。
创建分数费米海
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可用的能态，形成所谓的‘费米海’。但是，如果迫使相互作用的原子连续循环经历极端条件，使其平滑地从强烈相互排斥转变为强烈相互吸引，会发生什么？”
研究人员发现，小心地重复这种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结构却显著有序的状态。他们称这种状态为“分数”费米海，因为粒子似乎遵循一种降低了的占据规则。
“相互作用循环不仅仅是简单地加热系统，而是将原子重组为一种新的多体状态，”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
这种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，即所谓的弗里德尔（Friedel）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朝永-鲁廷格液体的预期性质不同，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，但并非随机的，”团队负责人 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：“我们还不确定应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
这些独特的迹象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：不仅能重现已知的模型，还能创建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审查中。