В плоском газе нашли новое состояние материи

Используя двумерный газ из ультрахолодных атомов, физики обнаружили новое экзотическое состояние материи. В полученной системе частицы образовывали устойчивые, сильно взаимодействующие пары, которые не разрушались при температуре в несколько раз выше критической. Статья с результатами опубликована в журнале Science.

Одна из необычных квантовых форм материи — это совокупность электронов внутри сверхпроводника ниже критической температуры. В таком состоянии электроны, относящиеся к частицам с полуцелым спином, фермионам, объединяются в пары. Принцип исключения Паули, один из фундаментальных законов квантовой механики, запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одном и том же квантовом состоянии, то есть описываться одними и теми же квантовыми числами. Однако, объединяясь в пары, электроны эффективно становятся частицами с целым спином, бозонами, и обходят запрет принципа Паули. Это позволяет им без сопротивления двигаться сквозь металл и обеспечивать сверхпроводящие свойства вещества.

Абсолютное большинство известных сверхпроводников переходит в такое состояние только при сильном охлаждении, а механизмы появления этого свойства во многих рекордных по критической температуре веществах выяснены не до конца. Целый класс таких соединений обладает слоистой структурой. «Это означает, что электроны в таких системах могут двигаться только в двух измерениях, — говорит Селим Йохим из Гейдельбергского университета. — То, чего мы раньше не понимали, — это как то, что взаимодействие спаривания и размерности может приводить к высоким критическим температурам».

Физики сделали из лазерных лучей плоские ловушки, куда поместили атомы при близкой к абсолютному нулю температуре. Таким образом получился квантовый симулятор — система частиц, позволяющая сымитировать другую, более сложную систему, в контролируемых условиях. В данном случае при помощи атомов ученые моделировали поведение электронов в твердых телах. Такой подход позволил регулировать силу взаимодействия между моделируемыми фермионами. Из теории следует, что фермионы со слабым взаимодействием должны спариваться только до критической температуры. Однако эксперимент показал, что при увеличении связи пары оставались даже при температуре в несколько раз выше.

Более того, выяснилось, что в таком режиме энергия спаривания намного превышает присущую такой системе энергию взаимодействия двух тел, а также сильно зависит от локальной плотности. Это наталкивает на вывод, что такое поведение — это следствие коллективного взаимодействия многих частиц, а не только двух. Авторы надеются, что их работа позволит приблизиться к понимаю феномена сверхпроводимости и получить вещества с более высокой критической температурой.