Fizycy przewidują stabilne krople kwantowe z bozonów i fermionów

Różnica ma znaczenie zwłaszcza w pobliżu niestabilności wywołanej przyciąganiem. Najprostsza teoria pola średniego nie opisuje dokładnie zachowania silnie oddziałującej mieszaniny Bosego–Fermiego. Wiarygodne obliczenia muszą uwzględniać fizykę rozpraszania dwóch cząstek przy silnym sprzężeniu.

Same krople kwantowe nie są zupełnie nowym zjawiskiem w badaniach nad ultrazimnymi atomami. Wcześniej doświadczalnie uzyskano samowiążące krople w przyciągających się mieszaninach bozonowych. Praca zespołu z Monash University i Heidelbergu proponuje jednak inną drogę: stabilizacja miałaby wynikać z rywalizacji między przyciąganiem bozon–fermion a kinetycznym ciśnieniem fermionów w silnie oddziałującej mieszaninie.

Metoda obliczeniowa wykraczająca poza słabe oddziaływania

Aby nie opierać się wyłącznie na założeniach słabego sprzężenia, badacze skonstruowali wariacyjny ansatz dla temperatury zerowej. Uwzględnia on korelacje par bozon–fermion w całym zakresie oddziaływań.

Metoda została zaprojektowana tak, aby łączyć kilka znanych granic teorii, a nie działać tylko w jednym, wąskim zakresie parametrów. Zgodnie z opisem badania odtwarza rachunek zaburzeń dla słabych oddziaływań, tam gdzie to przybliżenie jest zasadne, a także właściwe zachowanie graniczne polaronów Fermiego i Bosego. Polaron to quasząstka powstająca wtedy, gdy domieszka zostaje „ubrana” w wzbudzenia otaczającego ją gazu kwantowego.

Następnie naukowcy zminimalizowali energię swobodną wynikającą z tego ansatzu. Analiza ujawniła obszar występowania samowiążącej kropli oraz powiązane z nim przejścia fazowe pierwszego rzędu.

Kropla nie jest stabilna w każdych warunkach

Teoretyczna kropla nie powinna utrzymywać się przy dowolnej gęstości ani sile oddziaływań. W odpowiednim zakresie parametrów pojawia się wcześniej, niż stabilne dimery bozon–fermion stają się stanem preferowanym.

Przy większej gęstości fermionów obliczenia przewidują zamiast tego rozdzielenie faz: powstanie cieczy Bosego–Fermiego oraz nadmiaru fermionów. Model wskazuje również na zachowanie przypominające punkt krytyczny ciecz–gaz.

Taka struktura faz daje eksperymentatorom więcej niż jeden cel. Można byłoby nie tylko poszukiwać samej kropli, lecz także obserwować, jak zmienia się ona wraz ze zmianą siły oddziaływań, gęstości lub proporcji obu składników. Przewidywane przejścia fazowe stanowiłyby dodatkowy test teorii.

Czy eksperyment może sprawdzić tę prognozę?

Badanie nie podaje harmonogramu w rodzaju „w ciągu kilku miesięcy” czy „w ciągu kilku lat”. Jego praktyczny wniosek jest ostrożniejszy: silnie sprzężone mieszaniny Bosego–Fermiego oraz odpowiednie proporcje mas atomowych są już dostępne w eksperymentach z ultrazimnymi atomami. Istniejące platformy mogłyby więc w zasadzie badać przewidywany zakres, choć przygotowanie układu, detekcja i ograniczenia związane z utratą cząstek nadal stanowią wyzwania.

Nie jest to zatem informacja o odkryciu kropli w laboratorium, lecz o przewidywaniu, które można sprawdzić doświadczalnie. Wcześniejsze eksperymenty wykazały już, że w pokrewnych układach możliwe jest tworzenie samowiążących kropli kwantowych w przestrzeni pozbawionej pułapki zewnętrznej.

Co może z tego wyniknąć dla fizyki?

Jeśli przewidywanie zostanie potwierdzone, krople dostarczą przestrajalnego modelu silnie skorelowanej materii kwantowej. Teoria nawiązuje do szerszych problemów, między innymi do mieszanin helu-3 i helu-4 oraz do układów, w których bozonowe ekscytony oddziałują z fermionowymi nośnikami ładunku w półprzewodnikach.

Nie oznacza to jednak, że praca od razu prowadzi do niezwykle precyzyjnych czujników, komputerów kwantowych czy innej gotowej technologii. Bardziej uzasadniony wniosek jest taki, że zrozumienie i kontrolowanie trwałych, silnie skorelowanych faz może w przyszłości wspierać badania nad materiałami kwantowymi i technologiami kwantowymi. Na obecnym etapie konkretnym osiągnięciem jest przewidywanie nowej fazy materii oraz metoda jej analizy poza zakresem słabych oddziaływań.