最初のステップは、水と油のように、混ざり合う運命にないと思われる 2 つの物質を想像することです。 2 つ目は、それらを量子の世界に持ち込み、水と油を根本的に異なる挙動を持つ 2 つの粒子群、ボソンとフェルミオンに置き換えることです。 そうですね、特定の条件下では、両方ともさらに奇妙なものを形成する可能性があります。 それ自体を結びつけている小さな物質の滴。 これが結論です 研究は Physical Review Letters に掲載されましたは、極度の低温と非常に強い相互作用にさらされたボソンとフェルミ粒子の混合物中にこれらの量子ドロップが存在することを予測しています。計算によると、 両方のタイプの粒子間の引力が共鳴と呼ばれる領域に達すると現れる可能性があります そして、フェルミ粒子の基本的な特性であるフェルミ圧力によってバランスが保たれています。
なぜ結果が驚くべきかを理解するには、これら 2 つの粒子ファミリーに注目する必要があります。ボソンには並外れた特性があります。ボソンの多くは同時に同じ量子状態を占めることができます。 ボソンガスが十分に冷却されると、その粒子は集合的に単一の量子実体として振る舞うことができます。、ボース・アインシュタイン凝縮を形成します。
フェルミオンは、異なる規則に従います。電子、陽子、中性子などの粒子はこの族に属し、パウリの排他原理の対象となります。つまり、2 つの同一のフェルミ粒子は、まったく同じ量子状態を占めることはできません。フェルミオンガスを圧縮しようとすると、この制限によって圧力が発生し、粒子がさらに集中するのを防ぎます。 一言で言えば、量子の世界の水と油です。
サム・フォスター率いる著者らが研究したシステムでは、綱引きに似た現象が起きた。一方で、ボーソンとフェルミ粒子の間の相互作用が強く引力となり、粒子が互いにくっつく可能性があります。一方、フェルミ圧力は、フェルミ粒子が同じ空間に無限に蓄積することを防ぎます。両方の傾向が適切なバランスに達すると、 計算によれば、それ自身の力によって結合された安定した構造、つまり量子ドロップが出現する可能性があることが示されています。
この研究の鍵は、正確には、以前のモデルでは適切に説明できなかった領域を探索することです。モナシュ大学の研究者であり、この研究の筆頭著者であるサム・フォスター氏は次のように述べています。 これまでの理論は、粒子が弱く相互作用する系に限定されていました。 新しいアプローチにより、最も興味深い物理学が現れる場所で、これらの相互作用がより激しくなったときに何が起こるかを研究することができます。
研究者らは、可能な構成が単一ではないことも検証しました。粒子の割合と密度によってシステムの動作が変化する可能性があります。たとえば、フェルミオンの密度が増加すると、ドロップが安定しなくなり、相分離が発生する可能性があります。 一方ではボーソンとフェルミオンの混合物、もう一方では過剰なフェルミオン。この計算では、液相と気相の間の臨界点と同様の挙動も明らかになりました。
これにより、この提案は単なる数学的な好奇心を超えたものになります。著者らは次のように指摘している。これらの液滴を生成するために必要な条件は、極低温のガス混合物を使用して達成できます。 ボーソンとフェルミ粒子の質量が十分に類似している場合、これらはすでに実験的に利用可能です。つまり、まったく新しい技術を開発することなく、予測をテストできるのです。
この結果はまた、量子スケールでは、液体、気体、混合物などのよく知られた概念が、私たちが期待するとおりに動作しなくなることを思い出させます。予測される水滴は水滴の小さいバージョンではありません。 量子力学の法則によって支配される集団状態、 そこでは、粒子の性質とそれらが相互作用する方法によって、私たちの日常経験に直接相当するものがない構造が決定されます。
「量子システムは、私たちの日常世界では不可能と思われる方法で動作する可能性があります。以前の理論では、粒子の相互作用が比較的弱い場合にのみ、これらのシステムを説明できました」とフォスター氏は声明で説明している。私たちのアプローチにより、これらの相互作用がより強くなったときに何が起こるかを探ることができ、そこに最も興味深い物理学が生じます。 私たちは、これら 2 つのまったく異なる種類の粒子が互いに完全にバランスをとり、それ自体で結合する安定した液滴を作成できることを示しました。”。
実験でそれらを生成できれば、科学者はその特性を直接研究し、ボーソンとフェルミ粒子の間の相互作用を変更することによってそれらがどのように変化するかを確認できるようになります。関心はこの問題の特殊な段階を超えています。 極限の量子条件下で物質がどのように組織化されるかを理解することは、量子システムを制御する新しい方法の開発に役立つ可能性がある そして長期的には、量子センサーや量子コンピューティングなどのテクノロジーに役立つ知識を提供します。
今のところ、滴は実験室ではなく紙の上に存在します。しかし、この予測は興味深い可能性をもたらします。それは、一見矛盾した量子規則に従う 2 つの粒子群が平衡点を見つけて、一緒になって安定した物質の小さな島を形成する可能性があるということです。そして日常世界では水と油は分離します。量子の世界では、おそらく、それらを一緒に留まるよう説得する方法があるでしょう。
