Ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare intenzionalmente una classe insolita di stati quantistici noti come “mari di Fermi frazionari”.
Il lavoro è stato svolto dal gruppo di Nägerl in collaborazione con il fisico teorico Alvise Bastianello del CNRS e dell’Université Paris-Dauphine.
Lo studio dimostra come una nuova fase critica della materia possa emergere quando le particelle quantistiche vengono spinte lontano dalle loro normali condizioni di equilibrio. Utilizzando atomi di cesio ultrafreddi confinati in una dimensione, i ricercatori hanno ripetutamente modificato l’intensità dell’interazione tra le particelle. Lo stato risultante va oltre il comportamento previsto dalla ben nota teoria del liquido di Tomonaga-Luttinger, un pilastro fondamentale per la comprensione dei sistemi quantistici unidimensionali.
Questa pubblicazione fornisce il quadro teorico per le recenti ricerche sperimentali condotte nel gruppo di Hans-Christoph Nägerl presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale.
Creazione di un mare di Fermi frazionario
A temperature molto basse, le particelle quantistiche seguono in genere regole rigorose che ne determinano la disposizione. Come spiega Alvise Bastianello:
“I fermioni, ad esempio, si impilano ordinatamente negli stati energetici disponibili per formare il cosiddetto ‘mare di Fermi’. Ma cosa succede se si costringono atomi interagenti a ciclare continuamente attraverso condizioni estreme, passando gradualmente da una forte repulsione reciproca a una forte attrazione reciproca?”
I ricercatori hanno scoperto che ripetendo attentamente questo ciclo di interazione, gli atomi escono dal loro normale stato fondamentale e si ritrovano in una configurazione altamente eccitata ma straordinariamente organizzata. Hanno chiamato questo stato “mare di Fermi frazionario” perché le particelle sembrano obbedire a una regola di occupazione ridotta.
“Invece di limitarsi a riscaldare il sistema, il ciclo di interazione riorganizza gli atomi in un nuovo stato a molti corpi“, afferma Yi Zeng, autore principale di questo studio. “Questo ci offre un modo controllato per esplorare la materia quantistica al di là dei soliti paradigmi di equilibrio.”
Ordine nascosto in uno stato quantistico eccitato
Lo stato appena creato presenta diverse caratteristiche insolite. Le correlazioni matematiche tra le particelle rivelano delle marcate oscillazioni, note come oscillazioni di Friedel, insieme a un comportamento di decadimento peculiare a tutti i livelli di interazione repulsiva.
Forse l’aspetto più importante è che questo stato presenta proprietà diverse da quelle previste per i liquidi di Tomonaga-Luttinger, che per lungo tempo hanno rappresentato la descrizione standard della materia quantistica unidimensionale.
“Questo stato è caratterizzato da un’intensa eccitazione, ma non è casuale”, afferma Hanns-Christoph Nägerl, il capo del gruppo. “Possiede un ordine nascosto che si manifesta nelle sue correlazioni.”
Aggiunge: “Non siamo ancora sicuri di come dovremmo chiamare queste nuove quasiparticelle. Forse ‘super-fermioni’?”
Una nuova fase critica della materia
Queste caratteristiche distintive indicano la presenza di una fase critica completamente nuova ed esotica. La scoperta offre una nuova via per studiare il comportamento quantistico universale utilizzando simulatori di atomi freddi.
Come afferma Hanns-Christoph Nägerl: “La scoperta dei mari di Fermi frazionari dimostra fino a che punto possiamo spingere la simulazione quantistica: non solo riproducendo modelli noti, ma creando e sondando stati che vanno oltre i paradigmi consolidati.”
Un articolo complementare che descrive la realizzazione sperimentale di mari di Fermi frazionari tramite simulazione quantistica è attualmente in fase di revisione.
Abstract
01 Le teorie quantistiche di campo critiche occupano una posizione centrale nella fisica teorica moderna per la loro intrinseca universalità derivante dalle correlazioni a lungo raggio. Ad esempio, il liquido di Tomonaga-Luttinger (TLL) descrive una vasta gamma di sistemi quantistici unidimensionali a basse temperature. Il suo comportamento è profondamente radicato nell’emergere di un mare di Fermi efficace, che porta a correlazioni di legge di potenza e oscillazioni di Friedel. Una direzione promettente per realizzare sistemi che mostrano un nuovo comportamento universale al di là del TLL è attraverso la generalizzazione del mare di Fermi sottostante. In questa lettera, mostriamo che mari di Fermi frazionari con occupazione ridotta emergono in un gas di Bose integrabile spinto fuori dall’equilibrio da cambiamenti ciclici nelle interazioni attraverso l’intera gamma di regimi repulsivi e attrattivi. Le funzioni di correlazione presentano segni di criticità incompatibili con un TLL convenzionale, suggerendo una nuova fase critica. Le nostre previsioni, basate sull’idrodinamica generalizzata, sono direttamente rilevanti per gli atomi freddi.
02 Il principio di esclusione di Pauli è una pietra angolare della fisica quantistica: governa la struttura della materia. Estensioni di questo principio, come la statistica di esclusione generalizzata di Haldane, prevedono l’esistenza di stati quantistici esotici caratterizzati da mari di Fermi frazionari (FFS), ovvero distribuzioni di momento con occupanze uniformi ma frazionarie. In questo lavoro, riportiamo la realizzazione sperimentale di mari di Fermi frazionari in un gas di Bose unidimensionale eccitato, preparato mediante cicli di variazione dell’intensità dell’interazione. Gli stati di gas di Bose eccitati ma stabili risultanti mostrano oscillazioni di Friedel, segnali inequivocabili della presenza dei mari di Fermi frazionari. La stabilizzazione di questi stati offre l’opportunità di approfondire la nostra comprensione della termodinamica quantistica in presenza di statistiche esotiche e apre la strada ad applicazioni nell’informazione e nella sensoristica quantistica.
Materiale fornito dall’Università di Innsbruck . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
- 01 Alvise Bastianello, Yi Zeng, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl, Manuele Landini. Exotic Critical States as Fractional Fermi Seas in the One-Dimensional Bose Gas. Physical Review Letters, 2026; 136 (23) DOI: 10.1103/j3s5-gjpf
- 02 Yi Zeng, Alvise Bastianello, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl, Manuele Landini. Realization of fractional Fermi seas. arXiv, 19 May 2026 DOI: 10.48550/arXiv.2602.17657
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