Werden Quantenteilchen – in diesem Fall ultrakalte Cäsiumatome in einer eindimensionalen Struktur – durch zyklische Änderungen der Wechselwirkung weit aus dem Gleichgewicht gebracht, zeigt sich, dass eine neuartige kritische Materiephase entsteht, die über das hinausgeht, was aus der etablierten Theorie für Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeiten bekannt ist. Die neue Veröffentlichung dient als theoretische Begleitung und Grundlage für aktuelle experimentelle Arbeiten in der Gruppe von Hanns-Christoph Nägerl am Institut für Experimentalphysik.
Wie sich Teilchen bei niedrigen Temperaturen anordnen, folgt in der Quantenwelt normalerweise strengen Regeln. Alvise Bastianello erklärt: „Fermionen beispielsweise ordnen sich verlässlich in den verfügbaren Energiezuständen an und bilden so das sogenannte ‚Fermi-Gas ‘. Aber was passiert, wenn man wechselwirkende Atome dazu zwingt, kontinuierlich extreme Bedingungen zu durchlaufen, wobei man sie sanft von starker Abstoßung hin zu starker Anziehung überführt?“ Die Forscher zeigen, dass ein bestimmter Wechselwirkungszyklus die Atome vom anfänglichen Grundzustand in eine hoch angeregte, aber dennoch hoch geordneten Nichtgleichgewichtszustand zwingt. Dieser wurde als „fraktioniertes“ Fermi-Gas bezeichnet, in dem die Teilchen scheinbar einer Regel der reduzierten Besetzung folgen.
„Anstatt das System einfach nur aufzuheizen, ordnet der Wechselwirkungszyklus die Atome zu einem neuen Vielteilchenzustand um“, sagt Yi Zeng, Hauptautor der Studie. „Damit eröffnet sich uns eine Möglichkeit, in kontrollierter Weise Quantenmaterie jenseits der gängigen Gleichgewichtsparadigmen zu erforschen.“
Die Folgen dieses fraktionierten Zustands sind bemerkenswert. Die mathematischen Korrelationen zwischen den Teilchen zeigen ausgeprägte Wellenmuster – sogenannte Friedel-Oszillationen – sowie charakteristische Zerfallsmuster, und das bei jeder Stärke abstoßender Wechselwirkung. Entscheidend ist, dass dieser neue Zustand Merkmale aufweist, die sich von denen der Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeiten unterscheiden – jener Theorie, die lange Zeit als etabliertes Modell zum Verständnis eindimensionaler Quantensysteme galt. „Dieser Zustand ist hochangeregt, aber er ist nicht zufällig“, sagt Hanns-Christoph Nägerl, der Leiter der Forschungsgruppe. „Der Zustand hat eine verborgene Ordnung, die in seinen Korrelationen sichtbar wird.“ Er fügt hinzu: „Wir sind uns noch nicht sicher, wie wir diese neuen Quasiteilchen nennen sollen. Vielleicht ‚Super-Fermionen‘?“
Das Auftreten dieser spezifischen Signaturen deutet auf eine völlig neue, exotische kritische Phase hin und eröffnet neue Wege für die Erforschung universeller Verhaltensweisen in Quantensimulatoren mit kalten Atomen. Hanns-Christoph Nägerl sagt dazu: „Die Entdeckung fraktionierte Fermi-Gase zeigt, wie weit wir die Quantensimulation vorantreiben können: Wir können nicht nur bekannte Modelle nachbilden, sondern auch Zustände erzeugen und untersuchen, die über etablierte Paradigmen hinausgehen.“
Die Begleitveröffentlichung zur experimentellen Realisierung fraktionierter Fermi-Gase als Quantensimulation befindet sich derzeit noch im Begutachtungsprozess.
Publikationen:
Exotic critical states as fractional Fermi seas in the one-dimensional Bose gas. A. Bastianello, Y. Zeng, S. Dhar, Z. Wang, X. Yu, M. Horvath, G. E. Astrakharchik, Y. Guo, H.-C. Nägerl, M. Landini Physical Review Letters 136, 230402 (2026) DOI: 10.1103/j3s5-gjpf, preprint at arxiv.org/abs/2602.17656
Realization of fractional Fermi seas. Yi Zeng, Alvise Bastianello, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl, Manuele Landini. preprint at arxiv.org/abs/2602.17657