Квантовый мир не перестаёт подбрасывать сюрпризы. Физики из Университета Монаша в Австралии заявили о возможности существования совершенно нового типа квантовой материи — «квантовых капель», в которых частицы двух принципиально разных сортов, бозоны и фермионы, удерживаются вместе в стабильном состоянии. Теоретическая работа, опубликованная в Physical Review Letters, описывает условия, при которых такая экзотическая смесь может существовать, и предлагает экспериментаторам конкретный план поиска.

Тонкий баланс вместо хаоса

В обыденном представлении частицы делятся на два лагеря. Фермионы — протоны, электроны — это «строительный материал» материи. Бозоны — фотоны и другие переносчики взаимодействий — отвечают за силы между фермионами. Казалось бы, смешать их в устойчивую структуру непросто: слишком разные характеры. Но расчёты команды показывают, что при определённых условиях притяжение между частицами и давление, создаваемое фермионами, могут уравновесить друг друга. Возникает нечто вроде квантовой капли, которая сама себя удерживает.

«Квантовые системы могут вести себя так, как в нашем повседневном мире кажется невозможным, — говорит Сэм Фостер, аспирант Университета Монаша. — Мы показали, что эти два очень разных типа частиц могут идеально сбалансировать друг друга, создавая стабильную каплю».

От слабых взаимодействий к сильной связи

Прежние теории в основном предполагали, что в подобных системах частицы взаимодействуют крайне слабо. Новая работа ломает этот стереотип. Авторы демонстрируют: можно исследовать режимы, где взаимодействие оказывается значительно сильнее, а итоговая система — гораздо стабильнее, чем ожидалось. Более того, расчёты указывают, что похожие явления могут наблюдаться в квантовых системах с сильной связью света и вещества.

Физики подчёркивают: их предложение «вполне достижимо для современных экспериментов». Уже существуют лабораторные установки для ультрахолодных частиц, которые можно адаптировать для создания квантовых капель. По сути, учёные дали экспериментаторам готовую дорожную карту — осталось пройти по ней.

Зачем это нужно

Если квантовые капли удастся воспроизвести в лаборатории, их предсказанные свойства могут лечь в основу сверхточных сенсоров и квантовых компьютеров следующего поколения. Фостер напоминает, что фундаментальные открытия часто становятся фундаментом будущих технологий, хотя сама работа и относится к чистой науке.

Исследование также открывает путь к изучению неизведанных квантовых состояний и, вероятно, даст новое понимание квантовых фаз в целом. Вопрос о том, как материя самоорганизуется в экстремальных квантовых условиях, — не просто академический. Ответ на него может изменить наши представления о том, какие формы способна принимать реальность на самых малых масштабах.

Кстати, квантовая физика уже не раз вторгалась в область, казалось бы, далёкую от лабораторных установок. Мы писали о парадоксе Эльсберга — бельгийский физик нашёл объяснение странностям человеческого выбора на стыке психологии и квантовой механики. Новая работа австралийцев продолжает эту линию: квантовые эффекты оказываются не экзотикой, а рабочим инструментом для описания самых разных систем.

Пока бозе-фермионные капли существуют лишь в уравнениях. Но если эксперимент подтвердит теорию, мы получим не просто ещё один курьёз из микромира, а потенциальный строительный блок для технологий, которые сегодня трудно даже вообразить.