物理学家构建奇异量子态“分数费米海”：揭示非平衡多体物理隐藏秩

在一项发表于物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）的最新研究中，来自奥地利因斯布鲁克大学 Hanns-Christoph Nägerl 教授团队与法国国家科学研究中心（CNRS）及巴黎第九大学的理论物理学家 Alvise Bastianello 合作，提出了一种被称为“分数费米海”（fractional Fermi sea）的全新奇异量子态理论构建方案。

该项突破的核心在于将一维受限的超冷铯原子推向远离常规平衡态的极端条件。研究人员通过周期性、平滑地在强排斥与强吸引之间调制原子间的相互作用强度，发现系统并没有像传统热化过程那样陷入无序混乱，而是自组织重构成一种展现出非凡特性的新型多体量子构型。这一理论成果不仅为近期 Nägerl 团队在实验物理系展开的量子模拟实验奠定了坚实基础，更突破了人们对量子多体相的传统认知。

突破常规限制：从费米海到非平衡驱动相

在常规物理条件下，量子粒子在极低温度下会遵循经典的量子统计规律。以电子等费米子为例，由于泡利不相容原理的限制，它们无法占据相同的微观量子态，因此在基态时会自下而上依次填满所有可用的能级，形成物理学上熟知的“费米海”（Fermi sea）。

然而，如果人为打破这种控制粒子行为的静态平衡条件，量子体系将发生怎样的改变？理论物理学家 Alvise Bastianello 指出：“例如，费米子通常会规整地堆叠到可用的能量状态以构建费米海。但如果我们强制让相互作用的原子经历极端的循环变化，使其在强烈排斥与强烈吸引之间平滑过渡，又会发生什么？”

为了回答这一问题，研究团队深入模拟了限制在严格一维通道中的超冷铯原子系统。在该体系中，原子的运动仅限于单一维度，使得量子干涉与相互作用效应被极度放大且具有极高的实验可控性。计算结果显示出惊人的一幕：系统从基态出发，在相互作用循环驱动下被泵浦至高度激发态，但并未发生无序加热，而是重构为一种全新的多体态。由于其粒子占据能级的方式展现出被修改的规律，研究团队将其命名为“分数费米海”。

该研究的第一作者 Yi Zeng 表示：“相互作用循环没有简单地将系统加热，而是将原子重构为一种全新的多体状态。这为我们提供了一种受控的方法，用于在常规平衡范式之外探索全新的量子物质形态。”

隐藏的秩序与超越传统拉廷格液体的特征

“分数费米海”最引人注目的特征在于其在远离平衡态时仍保留着高度组织化的内部结构。在经典统计物理中，远离平衡的系统通常表现出不可预测的混乱行为，难以精确解析。但分数费米海并非随机高能粒子的混沌集合，其内部蕴含着深刻的数学规律。

研究人员在其关联函数中发现了显著的“弗里德尔振荡”（Friedel oscillations）——一种反映量子粒子间相互影响的波状空间起伏。同时，粒子间的空间关联衰减规律在极弱排斥作用下依然表现出不同寻常的模式。尤为关键的是，这些微观动力学指征与长久以来用于描述一维相互作用多体系统的核心框架——朝永-拉廷格液体理论（Tomonaga-Luttinger liquid theory）的预测存在根本性偏差。这表明，分数费米海代表了一种此前未曾涉足的、无法用现有理论完全描述的新型量子临界行为。

研究组负责人 Hanns-Christoph Nägerl 强调：“该量子态虽然处于高度激发态，但绝非随机分布。它具有在粒子关联中清晰可见的隐藏秩序（hidden order）。”此外，这种奇异的行为引发了关于系统中“涌现准粒子”（quasiparticles）本质的讨论。面对多体协同运动产生的新激发，Nägerl 甚至提出，未来或许需要为这类独特的准粒子命名为“超级费米子”（super-Fermions）。

开启量子模拟与物态调控的新前沿

分数费米海的发现表明其属于一种奇异的量子物质临界相，大幅拓宽了一维量子多体物理的理论边界。该工作亦凸显了现代量子模拟技术的强大潜力：研究人员不再局限于用超冷原子体系复现已知理论模型，而是能够主动设计并操控未知的极端非平衡量子相。

Nägerl 总结道：“分数费米海的发现展示了我们可以将量子模拟推向多深的境地——不仅是复现已知模型，更是创造并探查超越既有范式的新物态。”据悉，支撑该理论的超冷原子量子模拟实验工作已完成并处于同行评审阶段，这一系列工作将为探索物质的基本量子动力学与新型多体激发形态开辟全新的前沿路径。