Descubren un nuevo estado cuántico llamado mar de Fermi fraccionario

Investigadores de la Universidad de Innsbruck revelaron que es posible crear una clase inusual de estados cuánticos denominada "mar de Fermi fraccionario". Este descubrimiento, publicado en la revista Physical Review Letters, señala una nueva fase de la materia que supera las teorías cuánticas tradicionales y podría ampliar las posibilidades de la simulación cuántica.

El estudio demostró que cuando se someten partículas cuánticas a condiciones de equilibrio extremas, emergen nuevos estados críticos de la materia. Para ello, los científicos utilizaron átomos de cesio ultrafríos confinados en una dimensión, alterando repetidamente la intensidad de las interacciones entre ellos. Este nuevo estado supera las predicciones de la conocida teoría del líquido de Tomonaga-Luttinger, un pilar fundamental para comprender los sistemas cuánticos unidimensionales.

Creando un mar de Fermi fraccionario

A temperaturas muy bajas, las partículas cuánticas tienden a seguir reglas estrictas que determinan su organización. Según Alvise Bastianello, uno de los investigadores, "los fermiones, por ejemplo, se apilan ordenadamente en los estados de energía disponibles para formar el llamado 'mar de Fermi'. Pero, ¿qué ocurre si se obliga a los átomos interactuantes a pasar continuamente por condiciones extremas, alternando entre repulsiones y atracciones?".

Los científicos hallaron que al repetir cuidadosamente este ciclo de interacciones, los átomos se alejaron de su estado fundamental normal y alcanzaron una configuración altamente excitada pero notablemente organizada. Este nuevo estado se denomina "fraccionario" porque los átomos parecen obedecer una regla de ocupación reducida.

"En lugar de simplemente calentar el sistema, el ciclo de interacción reorganiza los átomos en un nuevo estado de muchos cuerpos", explicó Yi Zeng, el autor principal del estudio. "Esto nos proporciona una forma controlada de explorar la materia cuántica más allá de los paradigmas de equilibrio habituales".

Orden oculto en un estado cuántico excitado

El nuevo estado creado presenta características inusuales. Las correlaciones matemáticas entre partículas revelan ondulaciones pronunciadas, conocidas como oscilaciones de Friedel, junto con un comportamiento de decaimiento distintivo en todos los niveles de interacciones repulsivas. Lo más importante es que este estado exhibe propiedades diferentes a las esperadas para los líquidos de Tomonaga-Luttinger, que han sido la descripción estándar de la materia cuántica unidimensional.

"Este estado está altamente excitado, pero no es aleatorio", afirmó Hanns-Christoph Nägerl, líder del grupo de investigación. "Tiene un orden oculto que se hace visible en sus correlaciones". Además, añadió que aún no están seguros de cómo deberían nombrar a estas nuevas cuasipartículas, sugiriendo quizás el término "super-fermiones".

Una nueva fase crítica de la materia

Estas características distintivas indican la presencia de una nueva y exótica fase crítica. El descubrimiento ofrece una nueva vía para investigar el comportamiento cuántico universal utilizando simuladores de átomos fríos. "El descubrimiento de los mares de Fermi fraccionarios muestra hasta dónde podemos llevar la simulación cuántica: no solo reproducir modelos conocidos, sino crear y examinar estados que van más allá de los paradigmas establecidos", concluyó Nägerl.

Un artículo complementario que describe la realización experimental de los mares de Fermi fraccionarios a través de simulaciones cuánticas se encuentra actualmente en revisión.