Физики рассчитали необычное состояние квантовой материи, в котором частицы двух разных классов могут собраться в устойчивую микроскопическую каплю и удерживаться вместе без внешней оболочки. Бозоны притягивают компоненты смеси друг к другу, а фермионы создают давление, которое мешает системе чрезмерно сжаться. При точном балансе двух эффектов возникает самосвязанная бозе-ферми капля. Авторы работы считают, что современные лабораторные установки уже позволяют проверить расчёты экспериментально.
Пока физики получили результат только теоретически: разработали математическую модель состояния и определили условия, при которых бозе-ферми капля должна сохранять устойчивость. Для расчётов использовали анзац. В теоретической физике так называют заранее выбранную форму предполагаемого решения, которую затем подставляют в уравнения и проверяют, позволяет ли выбранная модель описать исследуемую систему.
Чтобы понять механизм удержания капли, нужно учитывать различия между бозонами и фермионами. Деление частиц на два класса зависит от квантового спина и определяет коллективное поведение большого числа одинаковых частиц. Электроны и протоны относятся к фермионам. Фотоны относятся к бозонам. Бозонами также служат некоторые частицы, которые переносят фундаментальные взаимодействия.
Особенно заметно различие при очень низких температурах. Бозоны способны находиться в одном квантовом состоянии в большом количестве. На таком принципе, например, основан бозе-эйнштейновский конденсат , где множество частиц начинает вести себя как единая квантовая система. Для одинаковых фермионов действует принцип запрета Паули: две одинаковые частицы не могут одновременно занимать одно квантовое состояние.
Запрет заставляет фермионы последовательно занимать доступные энергетические состояния и создаёт фермионное давление. Давление сохраняется даже при температурах, близких к абсолютному нулю, поэтому его нельзя объяснить обычным тепловым движением частиц. В рассчитанной системе именно фермионное давление противодействует притяжению между компонентами смеси.
Если притяжение окажется слишком слабым, частицы не образуют самосвязанную каплю. Слишком сильное притяжение, напротив, может нарушить устойчивость системы. Расчёты показали область параметров, где притяжение и фермионное давление компенсируют друг друга. Смесь при таком режиме не разлетается и не продолжает бесконтрольно сжиматься, а сохраняет конечную плотность и размеры.
Самосвязанное состояние отличается от обычного облака ультрахолодных атомов . В лабораториях атомы часто удерживают внешними магнитными или оптическими ловушками. Для рассчитанной бозе-ферми капли устойчивость обеспечивает баланс внутренних квантовых эффектов. Внешняя ловушка по-прежнему может понадобиться для подготовки и управления системой, однако сама капля после формирования способна сохранять связанность за счёт взаимодействий между частицами.
Физики и раньше изучали смеси бозонов и фермионов, но многие теоретические модели концентрировались на режимах со сравнительно слабым взаимодействием между компонентами. Новые расчёты охватывают более сильную связь и показывают, что усиление взаимодействия не обязательно разрушает смесь. При определённых параметрах система, наоборот, получает устойчивое самосвязанное состояние.
Экспериментальная проверка не требует принципиально нового типа установки. Современные эксперименты с ультрахолодными атомами уже позволяют готовить смеси бозонных и фермионных компонентов, охлаждать их до квантового режима и управлять силой межчастичных взаимодействий. Авторы работы указывают, что необходимые конфигурации находятся в пределах возможностей существующего лабораторного оборудования.
Для получения капли экспериментаторам потребуется подобрать состав смеси, число частиц и силу взаимодействия так, чтобы система попала в рассчитанную область устойчивости. После формирования капли физики смогут измерить её размер, плотность, время жизни и реакцию на изменение параметров. Измерения покажут, насколько точно теоретическая модель описывает реальную многочастичную систему.
Расчёты также допускают родственные эффекты в системах с сильной связью света и вещества. В таком режиме световое поле и материальная среда взаимодействуют настолько интенсивно, что свойства системы уже нельзя независимо описывать только через свет или только через частицы вещества. Возникают смешанные квантовые состояния, поэтому механизм самосвязывания может проявляться не только в смесях ультрахолодных атомов.
Интерес к бозе-ферми каплям связан прежде всего с возможностью изучать коллективное поведение квантовой материи в режиме сильных взаимодействий. Управляемая самосвязанная система даёт физикам дополнительный способ проверять модели квантовых фаз и исследовать, как большое число частиц организуется при конкуренции притяжения и квантового давления.
Авторы также рассматривают возможное применение таких состояний в квантовых сенсорах и вычислительных системах. Пока практические устройства существуют только как перспектива: сначала физикам нужно получить бозе-ферми каплю в лаборатории и подтвердить рассчитанную область устойчивости. Главным следующим шагом остаётся экспериментальная проверка самого самосвязанного состояния и измерение его физических характеристик.