Neuer Quantenzustand entdeckt: fraktionales Fermi-Meer

Innsbrucker Physiker haben einen neuen Quantenzustand geschaffen, der die Grenzen des bisher Bekannten sprengt. Sie nennen ihn 'fraktionales Fermi-Meer'. Um zu verstehen, was das bedeutet, hilft ein kleiner Ausflug in die Quantenwelt: Bei extrem tiefen Temperaturen gehorchen Teilchen strengen Regeln. Fermionen, eine Klasse von Teilchen, stapeln sich ordentlich in den verfügbaren Energiezuständen – wie Bücher in einem Regal. Dieses geordnete System nennt man Fermi-Meer. Doch was passiert, wenn man die Teilchen zwingt, ständig zwischen extremer Abstoßung und extremer Anziehung zu wechseln? Das Team um Hanns-Christoph Nägerl vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat genau das getan. Sie kühlten Cäsium-Atome auf ultratiefe Temperaturen ab und sperrten sie in eine eindimensionale Röhre. Dann veränderten sie die Wechselwirkung zwischen den Atomen immer wieder – von stark abstoßend zu stark anziehend und zurück. Statt einfach nur heiß zu werden, ordneten sich die Atome in einem völlig neuen, hochgeordneten Zustand an. 'Die Teilchen gehorchen einer reduzierten Besetzungsregel', erklärt Yi Zeng, Hauptautor der Studie. 'Das System ist hoch angeregt, aber nicht chaotisch – es hat eine verborgene Ordnung.' Diese Ordnung zeigt sich in charakteristischen Wellen, den sogenannten Friedel-Oszillationen, und einem ungewöhnlichen Zerfallsverhalten. Die Eigenschaften dieses Zustands unterscheiden sich grundlegend von denen der Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit, einem Standardmodell für eindimensionale Quantensysteme. 'Wir sind noch nicht sicher, wie wir diese neuen Quasiteilchen nennen sollen', sagt Nägerl. 'Vielleicht Super-Fermionen?' Die Entdeckung, die im Fachblatt 'Physical Review Letters' veröffentlicht wurde, ist mehr als eine Kuriosität. Sie zeigt, dass man mit kalten Atomen nicht nur bekannte Modelle nachbilden, sondern völlig neue Materiezustände erschaffen kann. 'Das erweitert die Möglichkeiten der Quantensimulation enorm', so Nägerl. Ein begleitender Artikel, der die experimentelle Umsetzung beschreibt, wird derzeit begutachtet. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem theoretischen Physiker Alvise Bastianello vom CNRS und der Université Paris-Dauphine durchgeführt.