Физики предсказали новую форму квантовой материи – каплю из бозонов и фермионов

Исследователи из Университета Монаша в Австралии описали ранее неизвестное состояние квантовой материи, в котором два принципиально разных типа частиц удерживают друг друга в устойчивой связке. Речь идёт о так называемых квантовых каплях, образованных смесью бозонов и фермионов.

В физике элементарных частиц все объекты делятся на две категории в зависимости от квантового числа спина. Фермионы, например протоны и электроны, формируют вещество как таковое. Бозоны, к которым относятся фотоны, выступают переносчиками взаимодействий между фермионами.

Смешивать эти два семейства в одной устойчивой структуре крайне сложно, так как принцип запрета Паули не позволяет фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Именно это ограничение создаёт своеобразное давление, распирающее систему изнутри. Ученые показали, что притяжение между частицами способно точно скомпенсировать это давление.

Аспирант Университета Монаша Сэм Фостер отметил:

Квантовые системы могут вести себя так, как это кажется невозможным в нашем повседневном мире. Мы показали, что эти два очень разных типа частиц могут идеально уравновешивать друг друга, создавая стабильную каплю, которая фактически удерживает саму себя.

В основе исследования лежит анзац, то есть пробная математическая форма волновой функции, которую физики подбирают заранее, а затем проверяют на согласованность с уравнениями. Такой подход позволяет обойти невозможность точного решения задачи многих тел. Помимо самой модели, команда предложила дорожную карту для экспериментального поиска капель.

Ранее считалось, что в подобных бозон-фермионных смесях частицы взаимодействуют лишь очень слабо, и любые более сильные связи разрушают систему. Новые вычисления указывают на обратное – область сильного взаимодействия оказывается заметно устойчивее, чем предполагалось. Это принципиально меняет оценку шансов увидеть такие капли в лаборатории.

Учёные заставили атомы существовать в двух местах сразу и это приближает нас к "Теории всего"

Исследователи отмечают, что предложенная схема находится в пределах возможностей нынешних установок. Современные эксперименты с ультрахолодными атомами уже позволяют получать конфигурации, необходимые для формирования подобных состояний. Такие системы охлаждаются почти до абсолютного нуля, где квантовые эффекты проявляются на макроскопических масштабах.

Расчёты также предсказывают, что схожие явления могут возникать в системах с сильной связью света и вещества. Исследование неизученных квантовых состояний, по словам команды, способно дать более общее понимание квантовых фаз материи. Практическое применение авторы видят в сверхточных сенсорах и квантовых компьютерах следующего поколения.