Descubren un nuevo estado cuántico denominado mar de Fermi fraccionario

Un equipo de físicos de la Universidad de Innsbruck reveló un nuevo estado de la materia cuántica conocido como mar de Fermi fraccionario, donde átomos ultrafríos se organizan de manera sorprendente, desafiando las reglas convencionales de la física cuántica. Este hallazgo no solo desafía teorías establecidas, sino que también sugiere la existencia de cuasipartículas exóticas que los científicos han empezado a llamar "super-Fermiones".

En un estudio publicado en la revista Physical Review Letters, liderado por Hanns-Christoph Nägerl y el físico teórico Alvise Bastianello del CNRS y la Université Paris-Dauphine, se describió cómo se puede crear este estado cuántico exótico. La investigación involucró someter átomos de cesio ultrafríos a condiciones extremas, alternando entre fuerzas de atracción y repulsión, lo que llevó a una configuración ordenada a pesar de la alta energía del sistema.

Normalmente, los fermiones, como los electrones, se organizan en un estado de energía conocido como mar de Fermi. Sin embargo, al alterar deliberadamente las condiciones que rigen su comportamiento, los investigadores descubrieron que los átomos no solo se desorganizan, sino que se reconfiguran en una disposición inusual. Bastianello explicó: "Los fermiones se apilan ordenadamente en los estados de energía disponibles para formar el 'mar de Fermi'. Pero, ¿qué sucede si se obliga a los átomos a pasar continuamente de condiciones de fuerte repulsión a fuerte atracción?".

Este experimento se llevó a cabo en un sistema unidimensional, lo que permitió a los investigadores controlar de manera excepcional las interacciones cuánticas. Al ajustar repetidamente las interacciones entre los átomos, el equipo logró llevarlos a un estado altamente excitado sin perder su organización subyacente. Este nuevo estado fue denominado mar de Fermi fraccionario, ya que sus partículas parecen seguir una regla modificada sobre cómo se ocupan los estados cuánticos.

Una de las características más intrigantes del mar de Fermi fraccionario es que los átomos permanecen organizados a pesar de estar lejos del equilibrio. En física, el equilibrio se refiere a un estado en el que las propiedades de un sistema se estabilizan. Sin embargo, el mar de Fermi fraccionario no es simplemente una colección de partículas excitadas que se comportan aleatoriamente; contiene patrones matemáticos distintivos que revelan una estructura más profunda. Entre estos patrones se encuentran oscilaciones de Friedel, variaciones ondulantes asociadas a la influencia que las partículas cuánticas tienen entre sí.

Los investigadores identificaron patrones inusuales en cómo las correlaciones entre partículas se debilitan con la distancia, incluso cuando las interacciones repulsivas son relativamente débiles. Estos hallazgos son significativos porque difieren de las predicciones asociadas con la teoría del líquido de Tomonaga-Luttinger, un marco teórico bien establecido para describir el comportamiento de partículas cuánticas en sistemas unidimensionales.

El descubrimiento de los mares de Fermi fraccionarios abre una nueva frontera en la física cuántica, sugiriendo que representan una fase crítica exótica de la materia cuántica, con patrones característicos de correlaciones de partículas que van más allá de las descripciones existentes. Además, demuestra el creciente poder de la simulación cuántica, que permite a los científicos investigar comportamientos físicos que serían difíciles de reproducir o estudiar de otra manera.

Según Nägerl, "el descubrimiento de los mares de Fermi fraccionarios muestra hasta dónde podemos llevar la simulación cuántica: no solo reproduciendo modelos conocidos, sino creando y sondeando estados que superan los paradigmas establecidos". Este trabajo establece el marco teórico para los mares de Fermi fraccionarios, mientras que un estudio complementario que describe su realización experimental a través de la simulación cuántica está en revisión por pares.

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