Gli scienziati hanno costruito una fase fantasma della materia. Nessuna natura ci offre liberamente. Uno che hanno dovuto convincere, pedalare e distorcere per far sì che esistesse. Si chiama mare di Fermi frazionario.
Progettare l’impossibile
Dimenticate l’equilibrio. Il regolamento standard per gli atomi ultrafreddi di solito fa riferimento alla teoria dei liquidi di Tomonaga-Lutting. È il robusto cavallo di battaglia per descrivere i sistemi quantistici 1D. Ma il team, guidato dal gruppo Nägerl con la teoria di Alvise Bastianello (CNRS e Université Paris-Duphine), ha voluto vedere cosa succedeva in fuoristrada.
Hanno preso atomi di cesio. Li rinchiusi in un’unica dimensione. Poi li hanno torturati con le interazioni.
Invertendo ripetutamente gli atomi tra forte repulsione e profonda attrazione, hanno mantenuto il sistema in funzione in un ciclo. Un battito di forza. Lontani dal conforto dell’equilibrio termico, gli atomi non si limitavano a diventare caldi e disordinati. Si sono riorganizzati.
Ingegneria quantistica in azione. Non trovi questi stati solo in un barattolo. Devi progettare il percorso per raggiungerli.
Cos’è questa cosa?
Di solito, i fermioni si accumulano ordinatamente negli stati energetici. Questo è il mare di Fermi. Roba da manuale. Bastianello ha posto una domanda più semplice e più acuta: cosa succede se costringi gli atomi interagenti a passare attraverso gli estremi?
Il risultato? Uno stato altamente eccitato ma sorprendentemente rigido. Le particelle obbediscono a una regola di occupazione “frazionaria”. Meno particelle occupano un dato spazio rispetto a quanto previsto dalle statistiche standard. Sembra sbagliato. Sembra giusto.
Yi Zeng, autore principale, taglia il rumore. “Invece di limitarsi a riscaldare il sistema, le interazioni riorganizzano gli atomi.” Non è caos. È una fuga controllata dall’equilibrio.
La firma nascosta
Come fai a sapere di non aver semplicemente commesso un errore? Matematica.
La nuova fase urla con oscillazioni di Friedel. Increspature pronunciate nella densità delle particelle che compaiono indipendentemente dalla quantità di repulsione pompata. I modelli di decadimento corrispondono alla teoria, non ai modelli standard di Tomonaga-Lutting.
Nägerl sottolinea la parte più strana. Lo stato è energetico. Ma ha un ordine nascosto nelle sue correlazioni. È rumore strutturato. Si interroga sulle quasiparticelle all’interno di questo pasticcio.
“Non siamo ancora sicuri di come chiamarli. Forse ‘super-Fermioni?'”
Un nuovo strumento o una nuova frontiera?
I simulatori di atomi freddi dovrebbero imitare la natura. Riprodurre modelli conosciuti. Prova i libri di testo. Questo lavoro suggerisce che possiamo andare oltre. Possiamo sondare stati che non esistono mai in natura.
«La scoperta mostra fino a che punto possiamo spingere la simulazione: creare e sondare stati che rompono i paradigmi stabiliti», osserva Nägerl.
Non c’è un arco ordinato qui. Il documento sperimentale associato è in fase di revisione. I “super-Fermioni” sono solo un nome provvisorio. Ma la porta è aperta.
Se possiamo costruire questo mare parzialmente riempito, cos’altro abbiamo ignorato nell’ombra dell’equilibrio? Le regole che abbiamo imparato potrebbero essere solo la linea di partenza.
