物理学家们发现了一种奇特的新量子行为，其中粒子的组织方式挑战了已经确立的理论。更令人惊讶的是，这些粒子在被驱动到极高能量状态的同时，仍然保持着显著的隐藏秩序。在一项发表在《物理评论快报》上的研究中，由Hanns-Christoph Nägerl领导的研究团队与CNRS和巴黎第杜芬大学的理论物理学家Alvise Bastianello合作，描述了如何工程一种被称为“分数量子海”的奇异量子态。这一突破涉及将超冷铯原子推向其正常状态之外，通过反复改变彼此之间的吸引或排斥力度。粒子并没有简单地变得无序，而是重新排列成一种异常的配置，这种配置表现得与科学家传统研究的量子系统不同。理论研究的结果为Nägerl团队在实验物理系进行的最新实验研究奠定了基础。将量子粒子推向极限 在普通条件下，量子粒子遵循确定它们如何排列的成熟规则，特别是在极低温度下。一个重要的例子是费米子，这一类粒子包括电子。这些粒子不能全部占据相同的量子态，因此它们根据特定的限制填充可用的能级。在非常低的温度下，这种排列产生了物理学家所称的费米海。但是，当研究人员故意破坏通常支配粒子行为的条件时会发生什么呢？正如Alvise Bastianello所解释的：“例如，费米子会整齐地堆叠在可用的能级中形成所谓的‘费米海’。但是如果强制相互作用的原子不断经历极端条件，将它们从强烈相斥的状态平滑地转变为强烈吸引状态，会发生什么？”为了研究这一可能性，研究人员研究了被限制在一维系统中的超冷铯原子。这意味着原子只能沿单一方向运动，从而创造出一种环境，在这种环境中，它们的量子相互作用可以被异常精确地研究。研究小组研究了这些原子之间的相互作用如何反复调整，循环于强大的排斥和吸引之间。计算结果揭示了一些意想不到的现象。从基态开始，即系统可用的最低能量配置，原子可以被驱动到高度激发的状态，而不会失去其潜在的组织性。研究人员称这种不寻常的排列为分数量子海，因为其粒子似乎遵循了一种修正的规则来控制量子态的占据。“相对于简单加热系统，这种相互作用循环将原子重新组织成一种新的多体态，”本研究的主要作者Yi Zeng说。“这为我们提供了一种受控的方法来探索超出通常平衡范式的量子物质。” 一种具有隐藏秩序的奇异新量子态 分数量子海最引人注目的特征之一是，尽管该系统已被推远离平衡，其粒子仍然保持有序。在物理学中，平衡描述了一种状态，其中系统的整体性质已稳定地达到平衡。被远离平衡驱动的系统可能表现出复杂和意想不到的行为，使得理解它们特别具有挑战性。然而，分数量子海不仅仅是一堆随机行为的激发粒子。相反，它包含独特的数学模式，揭示了更深层次的结构。这些模式中包含显著的涟漪，称为Friedel振荡。这些是与量子粒子相互影响的方式相关的波动变化。研究人员还发现了粒子之间的相关性随着距离增加而减弱的异常模式，即使在排斥相互作用相对微弱时也是如此。这些特征非常重要，因为它们与汤田-卢廷格液体理论的预测不同，后者是描述一维系统中相互作用的量子粒子行为的成熟框架。因此，这些发现指向一种以前未被探索的量子行为类型，无法完全用这种熟悉的理论图景来描述。“这种状态高度激发，但并不是随机的，”小组领导Hanns-Christoph Nägerl说。“它具有一种隐藏的秩序，这种秩序在其相关性中变得可见。” 这种奇异的行为也引发了关于系统内产生的有效粒子的质疑。物理学家称这些集体激发为准粒子，因为它们可以表现得像单个粒子，即便它们源于许多相互作用粒子的协调运动。Nägerl建议...