Исследователи из Университета Монаша в Австралии описали ранее неизвестное состояние квантовой материи, в котором два принципиально разных типа частиц удерживают друг друга в устойчивой связке. Речь идет о так называемых квантовых каплях, образованных смесью бозонов и фермионов.

В физике элементарных частиц все объекты делятся на две категории в зависимости от квантового числа спина. Фермионы, например протоны и электроны, формируют вещество как таковое. Бозоны, к которым относятся фотоны, выступают переносчиками взаимодействий между фермионами. Смешивать эти два семейства в одной устойчивой структуре крайне сложно, так как принцип запрета Паули не позволяет фермионам занимать одно и то же квантовое состояние. Именно это ограничение создает своеобразное давление, распирающее систему изнутри. Ученые показали, что притяжение между частицами способно точно скомпенсировать это давление.

Аспирант Университета Монаша Сэм Фостер отметил, что квантовые системы могут вести себя так, как это кажется невозможным в повседневном мире, и эти два очень разных типа частиц могут идеально уравновешивать друг друга, создавая стабильную каплю, которая фактически удерживает саму себя.

В основе исследования лежит анзац – пробная математическая форма волновой функции, которую физики подбирают заранее, а затем проверяют на согласованность с уравнениями. Такой подход позволяет обойти невозможность точного решения задачи многих тел. Помимо самой модели, команда предложила дорожную карту для экспериментального поиска капель. Ранее считалось, что в подобных бозон-фермионных смесях частицы взаимодействуют лишь очень слабо, и любые более сильные связи разрушают систему. Новые вычисления указывают на обратное: область сильного взаимодействия оказывается заметно устойчивее, чем предполагалось. Это принципиально меняет оценку шансов увидеть такие капли в лаборатории.

Исследователи отмечают, что предложенная схема находится в пределах возможностей нынешних установок. Современные эксперименты с ультрахолодными атомами уже позволяют получать конфигурации, необходимые для формирования подобных состояний. Такие системы охлаждаются почти до абсолютного нуля, где квантовые эффекты проявляются на макроскопических масштабах. Расчеты также предсказывают, что схожие явления могут возникать в системах с сильной связью света и вещества. Практическое применение авторы видят в сверхточных сенсорах и квантовых компьютерах следующего поколения.