Físicos informan de un “mar de Fermi fraccionario” en átomos ultrafríos

Físicos que trabajan con átomos ultrafríos de cesio han informado de un estado cuántico exótico al que llaman “mar de Fermi fraccionario”, una configuración que parece conservar una forma inesperada de orden incluso después de que el sistema se aleja mucho de las condiciones normalmente asociadas con un mar de Fermi convencional.

El trabajo, descrito como publicado en Physical Review Letters, procede de un equipo experimental dirigido por Hanns-Christoph Nägerl, de la Universidad de Innsbruck, y de un estudio teórico de Alvise Bastianello, del CNRS y la Université Paris-Dauphine. Aborda una cuestión básica de la física cuántica: ¿qué ocurre cuando los investigadores empujan deliberadamente sistemas de muchas partículas más allá de las configuraciones de baja energía que las teorías conocidas describen con mayor facilidad?

Cambiar las interacciones, no simplemente calentar un gas

A temperaturas suficientemente bajas, los fermiones ocupan estados cuánticos siguiendo reglas basadas en el principio de exclusión de Pauli. Los electrones son fermiones, al igual que muchos átomos en las condiciones adecuadas. Su incapacidad para acumularse en un mismo estado cuántico da lugar al patrón de ocupación característico conocido como mar de Fermi.

El experimento no consiste simplemente en calentar un gas atómico y observar el desorden resultante. En su lugar, los investigadores cambian repetidamente la interacción entre los átomos ultrafríos de cesio, alternando entre regímenes fuertemente repulsivos y fuertemente atractivos. Este impulso controlado lleva a los átomos a un estado altamente excitado, donde una expectativa sencilla sería que las correlaciones se desordenaran y el sistema perdiera la estructura reconocible de un mar de Fermi.

Según el relato facilitado sobre la investigación, eso no fue lo que encontró el equipo. Los átomos se reorganizaron en una configuración inusual con un orden oculto, a pesar de la energía extrema inyectada por los cambios repetidos en la fuerza de interacción. Los investigadores se refieren a esa configuración como un mar de Fermi fraccionario.

Por qué es notable el resultado

Los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son difíciles de describir porque cada partícula sigue reglas cuánticas y, al mismo tiempo, influye en las demás mediante interacciones. Los modelos suelen ser más manejables cerca del equilibrio, cuando el sistema se ha asentado en una configuración estable o de baja energía. Los sistemas sometidos a una fuerte excitación son más complejos: pueden desarrollar correlaciones que no son aleatorias, pero tampoco se capturan fácilmente con las descripciones estándar del equilibrio.

El mar de Fermi fraccionario destaca porque sugiere que un estado organizado puede sobrevivir en ese territorio desconocido. La fuente facilitada describe la observación como un desafío a las teorías cuánticas establecidas y afirma que los resultados teóricos proporcionaron una base para el trabajo experimental. Eso no demuestra por sí solo una nueva tecnología ni sustituye la teoría estándar de los fermiones. Sin embargo, ofrece a los investigadores un nuevo entorno experimental para estudiar cómo pueden coexistir el orden, las interacciones y la excitación.

El resultado también ilustra el valor de los experimentos con átomos ultrafríos. Al enfriar átomos y ajustar sus interacciones, los físicos pueden construir análogos cuidadosamente controlados de sistemas cuánticos complejos. En lugar de depender únicamente de materiales naturales, pueden modificar un parámetro, repetir una secuencia y comparar el resultado con la teoría. En este experimento, los átomos de cesio se convirtieron en una plataforma para investigar un estado difícil de aislar en un sólido ordinario.

Otra forma de entender un mar de Fermi

Llamar “fraccionario” al estado indica que difiere de la imagen conocida de fermiones llenando de manera gradual los niveles de energía disponibles. La fuente describe el comportamiento resultante como ajeno a los sistemas cuánticos estudiados tradicionalmente y señala la presencia de cuasipartículas exóticas que los investigadores han denominado provisionalmente posibles “superfermiones”.

Las cuasipartículas no son necesariamente nuevas partículas elementales. Son descripciones útiles del comportamiento colectivo dentro de un material o sistema de muchos cuerpos. Una perturbación que se desplaza por un sólido, por ejemplo, puede comportarse en ciertos aspectos como una partícula, aunque esté formada por el movimiento coordinado de muchos componentes. Por tanto, el lenguaje de las posibles cuasipartículas aquí describe el estado colectivo de los átomos excitados, no el descubrimiento de un nuevo componente fundamental de la naturaleza.

La distinción importa. El valor inmediato del estudio es científico: amplía el conjunto de estados cuánticos que pueden prepararse y examinarse bajo condiciones controladas. Se necesitarán futuras investigaciones teóricas y experimentales para determinar la robustez del estado, qué mediciones describen mejor su orden y si pueden crearse fenómenos relacionados con otros átomos o mediante protocolos de excitación distintos.

Qué viene después

La investigación apunta a un esfuerzo más amplio por comprender la materia cuántica fuera del equilibrio. Si los sistemas pueden conservar una estructura oculta mientras atraviesan continuamente regímenes de interacción radicalmente diferentes, los físicos podrían disponer de una variedad de estados más amplia de lo que sugiere la intuición basada en bajas energías.

Por ahora, el hallazgo clave es más concreto, pero llamativo: alternar repetidamente átomos ultrafríos de cesio entre atracción y repulsión no borró simplemente su organización. En el experimento descrito, condujo a un estado altamente excitado con una estructura cuántica inusual y ordenada. Eso convierte al mar de Fermi fraccionario en un nuevo objetivo útil para la medición experimental y la explicación teórica.

Este artículo se basa en informaciones de Science Daily. Leer el artículo original.