Quantumonderzoekers hebben iets gebouwd dat niet zou moeten bestaan

Luister, ik moet je iets vertellen over wat er net is gebeurd in de wereld van de quantumfysica. En eerlijk? Het breekt een beetje mijn brein.

Onderzoekers hebben wat ze nu een "fractionele Fermi-zee" noemen gecreëerd. En dit spul is raar. Echt raar. Zo van "onze studieboeken moeten misschien herschreven worden"-raar.

De Fermi-zee: waar deeltjes zich netjes gedragen

Laat me dit uitleggen op een manier die hopelijk niet je hersenen doet smelten.

Weet je nog dat je op de basisschool leerde dat elektronen om atomen draaien in schillen? Nou, op quantumniveau is alles een stuk geordender dan dat. Er zijn regels — heel strikte regels — over hoe bepaalde deeltjes die "fermionen" heten (daar horen elektronen bij) zich rangschikken, vooral als het supersimpel koud wordt.

Die deeltjes stapelen zich eigenlijk op in beschikbare energieniveaus, zoals mensen die in een theater stoelen bezetten. Ze kunnen niet allemaal op dezelfde plek gepropt worden. Deze georganiseerde rangschikking bij lage temperaturen noemen fysici een "Fermi-zee."

Het is een prachtig, geordend systeem. Maar hier wordt het interessant.

Wat gebeurt er als je het systeem flink verstoort?

De onderzoekers — geleid door het team van Hanns-Christoph Nägerl, samen met theoreticus Alvise Bastianello — wilden weten wat er zou gebeuren als je dit georganiseerde systeem flink zou beuken. Ze namen ultrakoude cesiumatomen en cycleden ze herhaaldelijk tussen omstandigheden waarin ze elkaar sterk afstoten en omstandigheden waarin ze elkaar sterk aantrekken.

Stel het je voor als een perfect gestapelde toren van blokken die je steeds opnieuw een por geeft. Je zou niet verwachten dat ze enige orde behouden, toch?

Nou, dat is exact wat er met deze quantumdeeltjes hätte moeten gebeuren. Het systeem hätte chaotisch en ongeordend moeten worden.

Behalve... dat gebeurde niet.

De Fractionele Fermi-zee: orde in de chaos

In plaats van in chaos te verzanden, herschikten de atomen zich in iets heel nieuws. De onderzoekers noemen het een "fractionele Fermi-zee" omdat de deeltjes een aangepaste versie lijken te volgen van de gebruikelijke quantumbezettingsregels.

Dit is echt verrassend. Zoals een van de onderzoekers het verwoordde: "Deze toestand is sterk aangeslagen, maar niet willekeurig. Hij heeft een verborgen orde die zichtbaar wordt in zijn correlaties."

Dat is toch waanzinnig? Het systeem is aangeslagen, ver verwijderd van wat fysici "evenwicht" noemen (basically: als dingen tot rust zijn gekomen), en toch handhaaft het ergens onderhuids een geheime organisatiestructuur.

Waarom dit belangrijk is

Hierom vind ik dit zo opwindend: we hebben eigenlijk een nieuw type quantumgedrag ontdekt dat bestaande theorieën niet voorspelden.

Het team vond herkenbare patronen in hoe deze deeltjes zich met elkaar verhouden — waaronder iets dat "Friedel-oscillaties" heet (rimpelingen in de dichtheid) — die niet passen bij wat onze standaardmodellen zouden voorspellen.

De gebruikelijke handleiding voor eendimensionale quantumsystemen is de zonetwat een Tollonaga-Luttinger vloeistoftheorie. Maar deze nieuwe fractionele Fermi-zee past niet netjes in dat hokje.

Wat betekent dit voor de wetenschap?

Eerlijk? Dit opent een heel nieuwe speeltuin voor fysici.

Het vermogen om aangeslagen quantumtoestanden te creëren én te bestuderen terwijl je die verborgen orde behoudt, geeft onderzoekers een nieuwe manier om quantummaterie te verkennen. Het voelt als het ontdekken van een nieuwe kamer in een huis waarvan we dachten dat we het helemaal hadden gemeten.

Bovendien is er iets werkelijk prachtigs aan het feit dat zelfs wanneer je een quantum systeem gewelddadig verstoort, de natuur een manier vindt om structuur op te leggen. Het herinnert me eraan dat het universum een stuk vreemder en eleganter is dan we het vaak gunnen.

De onderzoekers zelf noemen dit "een gecontroleerde manier om quantummaterie te verkennen buiten de gebruikelijke evenwichtsparadigma's" — wat in wetenschapstaal eigenlijk betekent: "we hebben net iets gevonden waar we jaren aan gaan werken."

Ik houd dit in de gaten. En als jij net zo'n nerd bent als ik over dit soort dingen, dan moet je dat ook doen.

Bron: ScienceDaily