Wetenschappers hebben een spookfase van materie gebouwd. Niet één natuur geeft ons vrijelijk. Eén die ze moesten overhalen, fietsen en tot bestaan draaien. Het wordt een fractionele Fermi-zee genoemd.
Engineering van het onmogelijke
Vergeet evenwicht. Het standaardregelboek voor ultrakoude atomen verwijst meestal naar de vloeistoftheorie van Tomonaga-Lutting. Het is het robuuste werkpaard voor het beschrijven van 1D-kwantumsystemen. Maar het team, onder leiding van de Nägerl-groep met theorie van Alvise Bastianello (CNRS en Université Paris-Duphine), wilde zien wat er offroad gebeurde.
Ze namen cesiumatomen. Ze zijn opgesloten in één enkele dimensie. Vervolgens martelden ze hen met interacties.
Door de atomen herhaaldelijk heen en weer te laten schakelen tussen sterke afstoting en diepe aantrekking, hielden ze het systeem in een cyclus draaiende. Een hartslag van kracht. Verre van het comfort van een thermisch evenwicht werden de atomen niet alleen heet en rommelig. Ze reorganiseerden.
Kwantumtechniek in actie. Je vindt deze toestanden niet zomaar in een pot. Je moet het pad ernaartoe ontwerpen.
Wat is dit eigenlijk?
Normaal gesproken stapelen fermionen zich netjes op in energietoestanden. Dat is de Fermi-zee. Leerboek dingen. Bastianello stelde een eenvoudigere, scherpere vraag: wat gebeurt er als je die op elkaar inwerkende atomen dwingt om door extremen te bladeren?
Het resultaat? Een toestand die zeer opgewonden maar verrassend rigide is. De deeltjes gehoorzamen aan een “fractionele” bezettingsregel. Minder deeltjes claimen een bepaalde ruimte dan standaardstatistieken voorspellen. Het voelt verkeerd. Het ziet er goed uit.
Yi Zeng, hoofdauteur, snijdt door het lawaai heen. “In plaats van simpelweg het systeem te verwarmen, reorganiseren de interacties de atomen.” Het is geen chaos. Het is een gecontroleerde ontsnapping uit het evenwicht.
De verborgen handtekening
Hoe weet je dat je niet zomaar een fout hebt gemaakt? Wiskunde.
De nieuwe fase schreeuwt van Friedel-oscillaties. Uitgesproken rimpelingen in de deeltjesdichtheid die verschijnen, ongeacht hoeveel afstoting je erin pompt. De vervalpatronen komen overeen met de theorie, niet met de standaard Tomonaga-Lutting-modellen.
Nägerl wijst op het vreemdste deel. De staat is energiek. Maar het heeft een verborgen volgorde in zijn correlaties. Het is gestructureerd geluid. Hij vraagt zich af wat de quasideeltjes in deze puinhoop zijn.
“We weten nog niet zeker hoe we ze moeten noemen. Misschien ‘super-Fermions?'”
Een nieuw instrument of een nieuwe grens?
Koude-atoomsimulators zouden de natuur moeten nabootsen. Reproduceer bekende modellen. Leerboeken testen. Dit werk suggereert dat we verder kunnen gaan. We kunnen toestanden onderzoeken die van nature nooit bestaan.
“De ontdekking laat zien hoe ver we simulatie kunnen pushen: staten creëren en onderzoeken die gevestigde paradigma’s doorbreken”, merkt Nägerl op.
Er is hier geen nette boog. Het bijbehorende experimentele artikel wordt momenteel beoordeeld. De “super-Fermions” zijn slechts een voorlopige naam. Maar de deur staat open.
Als we deze gedeeltelijk gevulde zee kunnen bouwen, wat hebben we dan nog meer genegeerd in de schaduw van evenwicht? De regels die we hebben geleerd, zijn misschien wel het startpunt.
