Mar de Fermi fraccional
Átomos de cesio ultrafríos atrapados en un estado oculto y ordenado tras alternar entre interacciones repulsivas y atractivas
Crédito: Universidad de Innsbruck.
Scitechdaily.com/
Por la Universidad de Innsbruck/8 de julio de 2026
Los científicos han creado un estado cuántico nunca antes visto, descubriendo una nueva fase de la materia con un orden oculto que va más allá de la teoría convencional.
Investigadores han demostrado que se puede crear deliberadamente un estado cuántico inusual conocido como “mar de Fermi fraccional”, lo que abre la puerta a una fase de la materia hasta ahora desconocida. El trabajo, publicado en Physical Review Letters , fue realizado por el grupo de Nägerl junto con el colaborador teórico Alvise Bastianello del CNRS y la Universidad Paris-Dauphine. El estudio proporciona la base teórica para el trabajo experimental reciente liderado por el grupo de Hans-Christoph Nägerl en el Departamento de Física Experimental.
Creación de un nuevo estado cuántico
El equipo se centró en átomos de cesio ultrafríos confinados a una sola dimensión. Al modificar repetidamente la intensidad de la interacción entre los átomos, alternando entre una fuerte repulsión y una fuerte atracción, llevaron el sistema lejos de su estado de equilibrio normal. En lugar de comportarse según la teoría de líquidos de Tomonaga-Luttinger, bien establecida, los átomos entraron en una fase crítica de la materia completamente nueva.
Esta fase recientemente predicha surge a través de un proceso llamado ingeniería cuántica, que demuestra que los ciclos de interacción cuidadosamente controlados pueden producir formas de materia cuántica que no se dan de forma natural en condiciones ordinarias.
¿Qué es un mar de Fermi fraccional?
A temperaturas extremadamente bajas, las partículas cuánticas normalmente se organizan según reglas bien definidas. Como explica Alvise Bastianello: «Los fermiones, por ejemplo, se apilan ordenadamente en los estados de energía disponibles para formar el llamado "mar de Fermi". Pero ¿qué sucede si se obliga a los átomos que interactúan a pasar continuamente por condiciones extremas, pasando gradualmente de una fuerte repulsión a una fuerte atracción entre sí?».
Los investigadores descubrieron que este ciclo de interacción cuidadosamente diseñado impulsa a los átomos desde su estado fundamental a un estado de no equilibrio altamente excitado pero sorprendentemente organizado. A esta disposición inusual la denominan mar de Fermi "fraccional" porque las partículas parecen obedecer una regla de ocupación reducida.
«En lugar de simplemente calentar el sistema, el ciclo de interacción reorganiza los átomos en un nuevo estado de muchos cuerpos», explica Yi Zeng, autor principal del estudio. «Esto nos proporciona una forma controlada de explorar la materia cuántica más allá de los paradigmas de equilibrio habituales».
El orden oculto más allá de la teoría establecida
El mar de Fermi fraccional presenta varias características distintivas. Las relaciones matemáticas entre las partículas producen ondulaciones pronunciadas conocidas como oscilaciones de Friedel, junto con patrones de decaimiento característicos en todos los niveles de interacción repulsiva.
Estas características distinguen claramente el nuevo estado de los líquidos de Tomonaga-Luttinger, que durante mucho tiempo han servido como marco estándar para describir sistemas cuánticos unidimensionales.
«Este estado es altamente excitado, pero no es aleatorio», afirma Hanns-Christoph Nägerl, líder del grupo. «Posee un orden oculto que se hace visible en sus correlaciones». Y añade: «Todavía no sabemos cómo denominar a estas nuevas cuasipartículas. ¿Quizás "superfermiones"?».
Una nueva frontera para la simulación cuántica
El comportamiento único de los mares de Fermi fraccionarios apunta a una fase crítica exótica de la materia completamente nueva y proporciona a los investigadores una nueva forma de investigar el comportamiento cuántico universal utilizando simuladores de átomos fríos .
Como explica Nägerl: “El descubrimiento de mares de Fermi fraccionarios demuestra hasta dónde podemos llevar la simulación cuántica: no solo reproduciendo modelos conocidos, sino creando y explorando estados que van más allá de los paradigmas establecidos”.
Un artículo complementario que describe la realización experimental de mares de Fermi fraccionarios mediante simulación cuántica se encuentra actualmente en proceso de revisión.
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Referencias:
«Estados críticos exóticos como mares de Fermi fraccionarios en el gas de Bose unidimensional», por Alvise Bastianello, Yi Zeng, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl y Manuele Landini, 9 de junio de 2026, Physical Review Letters .
“Realización de mares fraccionales de Fermi” por Yi Zeng, Alvise Bastianello, Sudipta Dhar, Zekui Wang, Xudong Yu, Milena Horvath, Grigori E. Astrakharchik, Yanliang Guo, Hanns-Christoph Nägerl y Manuele Landini, 19 de mayo de 2026, arXiv .
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Fuente:
