Los investigadores han demostrado que se puede crear deliberadamente una clase inusual de estados cuánticos conocidos como “mares fraccionados de Fermi”, según un nuevo estudio publicado carta de revisión física. El trabajo fue realizado por el grupo de Nägerl con el físico teórico Alvise Bastianello del CNRS y la Universidad Paris-Dauphine.
La investigación muestra cómo puede surgir una nueva fase crítica de la materia cuando las partículas cuánticas se alejan de su estado de equilibrio normal. Utilizando átomos de cesio ultrafríos confinados en una sola dimensión, los investigadores variaron repetidamente la fuerza con la que las partículas interactuaban entre sí. El estado resultante va más allá del comportamiento predicho por la conocida teoría de fluidos de Tomonaga-Lüttinger, piedra angular para la comprensión de los sistemas cuánticos unidimensionales.
Esta publicación proporciona el marco teórico para investigaciones experimentales recientes realizadas en el grupo de Hans-Christoph Negerl en el Departamento de Física Experimental.
Creando un mar de Fermi fraccional
A temperaturas muy bajas, las partículas cuánticas generalmente siguen reglas estrictas que determinan cómo se organizan. Como explica Alvis Bastianello:
“Por ejemplo, los fermiones se acumulan claramente en estados de energía disponibles para formar los llamados ‘mares de Fermi’. Pero, ¿qué pasaría si se obligara a los átomos a recorrer continuamente estados extremos, pasando suavemente de repelerse fuertemente entre sí a atraerse fuertemente entre sí?
Los investigadores descubrieron que repetir cuidadosamente este ciclo de interacciones hace que los átomos salgan de su estado fundamental normal y los lleven a una configuración muy excitada pero notablemente organizada. Llaman a este estado mar de Fermi “fraccional” porque las partículas parecen obedecer una ley de ocupación reducida.
“En lugar de simplemente calentar el sistema, el ciclo de interacción reorganiza los átomos en un nuevo estado de muchos cuerpos”, dijo Yi Zheng, autor principal del estudio. “Esto nos proporciona una forma controlada de explorar la materia cuántica fuera del paradigma del equilibrio normal”.
Orden oculto en un estado cuántico excitado.
El Estado recién formado presenta varias características inusuales. Las correlaciones matemáticas entre partículas revelan ondas pronunciadas, conocidas como oscilaciones de Friedel, con un comportamiento de desintegración distinto en todos los niveles de interacciones repulsivas.
Quizás lo más importante es que el estado exhibe propiedades que difieren de las esperadas para los fluidos Tomonaga-Luttinger, que han servido durante mucho tiempo como descripción estándar de la materia cuántica unidimensional.
“Este estado federado está muy entusiasmado, pero no es casualidad”, afirmó el líder del grupo, Hans-Christoph Negerl. “Tiene un orden oculto que es visible en sus correlaciones”.
Y añadió: “Todavía no estamos seguros de cómo nombraremos estas nuevas cuasipartículas. ¿Quizás ‘superfermiones’?”
Una nueva fase crítica de la materia
Estas firmas distintivas indican la presencia de una fase crítica completamente nueva y exótica. El descubrimiento ofrece una nueva ruta para investigar el comportamiento cuántico universal utilizando simuladores de átomos fríos.
Como dice Hans-Christoph Negerl: “El descubrimiento de los mares fraccionarios de Fermi muestra hasta dónde podemos llevar las simulaciones cuánticas: no sólo para reproducir modelos conocidos, sino para crear y explorar estados que trasciendan los paradigmas establecidos”.
Actualmente se está revisando un artículo complementario que describe la realización experimental de mares fraccionados de Fermi mediante simulaciones cuánticas.
