Físicos crean un mar de Fermi fraccionario en átomos ultrafríos

Llevar los átomos ultrafríos más allá del equilibrio

En condiciones estándar cerca del cero absoluto, las partículas cuánticas ocupan estados de energía discretos en configuraciones predecibles, como el mar de Fermi que se observa en electrones y otros fermiones. Según un informe de ScienceDaily, los investigadores estudiaron qué ocurre cuando esas condiciones estables se alteran intencionadamente, en busca de una innovación clave en la manipulación de estados cuánticos.

Para comprobarlo, el equipo de investigación confinó átomos de cesio ultrafríos en un sistema unidimensional, restringiendo su movimiento a lo largo de un único eje para lograr un control preciso de las interacciones. El físico teórico Alvise Bastianello, del CNRS y la Université Paris-Dauphine, modeló el efecto de alternar continuamente los átomos entre una fuerte repulsión mutua y una fuerte atracción mutua. Como señaló en el estudio el autor principal, Yi Zeng, esta alternancia llevó a los átomos desde su estado fundamental de mínima energía a una configuración excitada sin provocar un calentamiento térmico caótico, estableciendo un estado de muchos cuerpos estructurado.

«Este estado está muy excitado, pero no es aleatorio. Tiene un orden oculto que se hace visible en sus correlaciones».

— Hanns-Christoph Nägerl, Universidad de Innsbruck

Patrones matemáticos y oscilaciones de Friedel

La disposición resultante, designada mar de Fermi fraccionario, se aparta del comportamiento típico fuera del equilibrio al mantener una organización interna diferenciada. Como detalla ScienceDaily, la configuración presenta ondulaciones de densidad características similares a ondas conocidas como oscilaciones de Friedel, que reflejan la forma en que las partículas cuánticas se influyen entre sí.

Los investigadores también detectaron decaimientos anómalos de las correlaciones entre partículas a distintas distancias, incluso cuando las fuerzas repulsivas se mantenían relativamente bajas. Estas firmas matemáticas específicas se apartan de las predicciones basadas en la teoría del líquido de Tomonaga-Luttinger, el marco establecido para describir partículas cuánticas en interacción en una dimensión, lo que muestra que el estado opera fuera de los modelos de equilibrio tradicionales.

Cuasipartículas emergentes y preguntas teóricas

El descubrimiento proporciona una base teórica y experimental para el trabajo en el Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, dirigido por el jefe de grupo Hanns-Christoph Nägerl. La investigación pone de relieve cómo el comportamiento coordinado de las partículas produce excitaciones colectivas, conocidas en física como cuasipartículas, que actúan como entidades individuales dentro del sistema.

Dado que el comportamiento observado no puede explicarse del todo con los modelos unidimensionales existentes, los investigadores evalúan cómo clasificar estos fenómenos colectivos. Como documenta ScienceDaily, Nägerl señaló que las excitaciones inusuales podrían representar una clase distinta de entidades, y propuso tentativamente el término superfermiones mientras continúa la investigación sobre estos estados fuera del equilibrio, ofreciendo nuevas perspectivas que podrían inspirar futuras invenciones en tecnologías cuánticas avanzadas.

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