Bosony a fermiony mohou vytvořit stabilní kvantové kapky

Dosavadní popisy Boseho–Fermiho kvantových kapek často vycházely z poruchové teorie druhého řádu. Ta je užitečná především tehdy, když jsou interakce slabé. Předpovězené kapky se však nacházejí v silně vázaném režimu, kde takové aproximace neposkytují kontrolovaný popis.

Rozdíl je zásadní zejména v blízkosti nestability vyvolané přitažlivostí. Nejjednodušší střední pole nedokáže plně zachytit chování silně interagující směsi bosonů a fermionů. Spolehlivý výpočet proto musí zohlednit i fyziku rozptylu dvou částic při silné vazbě.

Samovázané kvantové kapky nejsou v ultrachladných atomech úplnou novinkou. Experimenty už dříve vytvořily kapky v přitažlivých směsích bosonů. Nová práce navrhuje odlišný mechanismus: stabilitu má zajistit právě rovnováha mezi přitažlivostí boson–fermion a kinetickým tlakem fermionů v silně interagující směsi.

Nový variační přístup

Aby se vědci dostali za hranice slabé vazby, sestavili při nulové teplotě variační ansatz — flexibilní kvantový popis stavu — který zahrnuje korelace mezi páry bosonů a fermionů v celém rozsahu interakcí.

Metoda není navržena jen pro jednu úzkou oblast parametrů. Podle studie reprodukuje poruchovou teorii slabých interakcí tam, kde je použitelná, a zároveň odpovídá známým limitům takzvaných Fermiho a Boseho polaronů. Polaron je kvazičástice vznikající tehdy, když se impurita „obleče“ excitacemi okolního kvantového plynu.

Po minimalizaci volné energie ansatzu se vynořila nejen samovázaná kapková fáze, ale také související kvantové fázové přechody prvního řádu.

Kapka nemá existovat za všech podmínek

Podle výpočtů se kapka objeví jen v určité oblasti hustoty a síly interakcí. V relevantním režimu vzniká dříve, než se stabilní boson–fermionové dimery stanou energeticky výhodnějším uspořádáním.

Při vyšší hustotě fermionů předpověď místo toho ukazuje na oddělení fází: vznikla by Boseho–Fermiho kapalina a přebytečné fermiony. Výpočty zároveň naznačují chování připomínající kritický bod přechodu mezi kapalinou a plynem.

Pro experimentátory to znamená víc než jediný cíl. Nemuseli by hledat pouze samotnou kapku, ale také sledovat, jak se systém mění při úpravě síly interakcí, hustoty nebo poměru obou druhů částic. Předpovězené přechody by poskytly další testy teorie.

Kdy by mohl přijít experimentální test?

Studie nestanovuje konkrétní harmonogram v řádu měsíců či let. Její praktičtější závěr zní, že potřebné silně interagující Boseho–Fermiho směsi i vhodné poměry hmotností atomů jsou v ultrachladných experimentech již dostupné. Stávající experimentální platformy by tedy mohly předpovězený režim v principu zkoumat, i když příprava systému, jeho detekce a omezení způsobená ztrátami částic zůstávají technickou výzvou.

Jde proto o experimentálně testovatelnou předpověď, nikoli o zprávu, že byly tyto konkrétní kapky už pozorovány. Dřívější experimenty s jinými atomovými směsmi ukázaly, že tvorba samovázaných kvantových kapek ve volném prostoru je u příbuzných systémů možná.

Co by kapky mohly odhalit

Pokud se předpověď potvrdí, nabídnou kvantové kapky dobře nastavitelný laboratorní model silně korelované kvantové hmoty. Teoretický popis se dotýká širších otázek spojených například se směsmi helia-3 a helia-4 nebo s bosonovými excitony interagujícími s fermionovými nosiči náboje v polovodičích.

Práce sama o sobě nepředstavuje nový mimořádně přesný senzor, kvantový počítač ani jinou hotovou technologii. Přímé sliby v tomto směru by byly předčasné. Střízlivější interpretace je, že lepší porozumění stabilním silně korelovaným fázím může v budoucnu pomoci výzkumu kvantových materiálů a kvantových technologií.

Konkrétním výsledkem současné práce je předpověď nové fáze hmoty a variační metoda, která ji dokáže popsat i mimo oblast slabých interakcí.