科学家发现分数费米海:超冷铯原子在极端循... Features
2026年10月18日,因斯布鲁克大学的研究团队在《物理评论快报》上宣布,成功创造出一种名为“分数费米海”的奇异量子态。超冷铯原子在一维系统中被反复推入极端相互作用循环,形成高度激发却保持隐藏有序的结构,这一发现直接挑战了现有量子理论。
豪华婚礼从费米海到分数费米海:量子规则如何被改写
在常规条件下,量子粒子的排布遵循严格规则。以费米子为例,电子等粒子无法占据同一量子态,只能按特定限制逐级填充能级,在极低温下形成物理学家熟知的“费米海”。据《科学日报》2026年10月18日报道,因斯布鲁克大学实验物理系团队联合法国国家科研中心与巴黎第九大学理论物理学家阿尔维塞·巴斯蒂亚内洛,提出了关键问题:如果强行让相互作用的原子在极端条件之间连续循环,从强烈互斥平滑过渡到强烈互吸,会发生什么?这个问题的答案,演化成了一种全新的物质形态。
婚礼现场超冷原子实验:一维铯原子的“推拉循环”
研究团队将超冷铯原子限制在一维系统中,使它们只能沿单一方向运动。实验中,他们反复调整原子间的相互作用,使其在强排斥与强吸引之间循环。巴斯蒂亚内洛解释说:“费米子,例如,整齐地堆叠到可用的能态中,形成所谓的‘费米海’。但如果迫使相互作用的原子持续循环在极端条件下,从强排斥平滑过渡到强吸引,会发生什么?”计算表明,从基态出发,原子可以被驱动到高度激发态,却不会丧失底层结构。论文第一作者曾毅表示:“相互作用循环不是简单地加热系统,而是将原子重组为一种新的多体态。这为我们提供了一种可控的方式来探索平衡范式之外的量子物质。”
求婚现场隐藏的序与“超级费米子”之谜
分数费米海最引人注目之处在于,系统虽然被推离平衡态,粒子却依然保持有序。物理学家在系统中观察到明显的“弗里德尔振荡”——一种与量子粒子相互影响有关的波动,还发现了粒子关联随距离衰减的异常模式。团队负责人汉斯-克里斯托夫·内格尔说:“这种状态高度激发,但并非随机。它存在一种隐藏的序,在关联中变得可见。”这种异常行为还引出了关于有效粒子“准粒子”的疑问。内格尔补充道:“我们还不确定应该如何命名这些新的准粒子。也许叫‘超级费米子’?”
挑战托莫纳加-卢廷格液体理论
这些关联特征之所以重要,是因为它们与托莫纳加-卢廷格液体理论的预测存在明显差异。该理论是描述一维相互作用的量子粒子的经典框架,长期被视为该领域的标准工具。分数费米海中的相关模式超出了这一理论的解释范围,表明存在一种此前未曾探索的量子行为类型。论文中的理论框架为后续实验奠定了基础,相关实验成果的论文正在同行评审中。因斯布鲁克大学新闻办公室发布的补充材料证实,该研究结合了理论物理与实验物理的协作,并确认了论文作者名单包含十余位研究人员。
量子模拟的新前沿:超越已知模型
这项发现展示了量子模拟的潜力——量子模拟允许科学家利用精确控制的量子系统来研究难以复现的物理行为。这种量子物质新态之所以实用,是因为研究者可以精确调节超冷原子的相互作用并观察量子态变化。内格尔表示:“分数费米海的发现表明,我们可以将量子模拟推多远:不仅重现已知模型,而且创造和探测超越既有范式的状态。”这一成果发表在第136卷第23期的《物理评论快报》上,论文数字对象标识符为10.1103/j3s5-gjpf。同时,实验实现的预印本已于2026年5月19日提交至预印本平台,编号为2602.17657。
研究时间线:分数费米海实验实现的关键节点
理论与实验的推进并非线性。理论论文在2026年初完成投稿,而实验团队几乎同时设计出基于超冷铯原子的量子模拟方案。在实验过程中,团队需要精确控制一维约束、相互作用强度和循环周期三个关键参数。根据论文信息,该研究的理论部分由阿尔维塞·巴斯蒂亚内洛与内格尔团队合作完成,实验部分则依托因斯布鲁克大学实验物理系的一维玻色气体装置。论文作者共计11人,包括曾毅、苏迪普塔·达尔、王泽魁、于旭东、米莱娜·霍瓦特、格里戈里·阿斯特拉哈尔奇克、严良国、曼努埃尔·兰迪尼等人。下表列出了这项研究最重要的几个时间点:
| 时间 | 事件 | 参与方 |
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| 2026年5月19日 | 实验实现的预印本提交至预印本平台,编号2602.17657 | 内格尔团队与理论合作者 |
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| 2026年10月18日 | 理论论文发表于《物理评论快报》第136卷第23期 | 同一合作组,共11位作者 |
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| 待定 | 实验论文通过同行评审正式发表 | 内格尔团队 |
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常见问题:关于分数费米海
Q1: 什么是“分数费米海”?
A1: 分数费米海是由超冷铯原子在一维系统中被反复驱动,从强排斥到强吸引循环而形成的一种高度激发但隐藏有序的量子态。它表现出与标准费米海不同的能态占据规则,并具有独特的关联特征,如弗里德尔振荡。这项发现挑战了托莫纳加-卢廷格液体理论,并可能引出新的准粒子“超级费米子”。
Q2: 这项研究有什么实际应用?
A2: 目前它属于基础物理突破,但分数费米海为量子模拟提供了新工具。研究者可利用这种可控的量子态探索平衡范式之外的量子物质,未来可能帮助设计新型量子材料或量子计算平台。合作团队表示,进一步研究将聚焦于准粒子的性质和潜在应用。
分数费米海的发现再次证明,量子物质在极端驱动下能涌现出前所未有的序。随着理论框架与实验实现的相互印证,这一全新量子态将推动量子模拟走向更广阔的未知领域,而“超级费米子”或许很快就有名字。
