把一锅水反复加热再冷却，它通常只会变得更加混乱。可在量子世界里，物理学家却发现了一种反直觉的现象：粒子被“折腾”得越厉害，反而排出了一种隐秘的秩序。
奥地利因斯布鲁克大学汉斯-克里斯托夫·内格尔领导的实验物理团队，与法国国家科学研究中心及巴黎第九大学的理论物理学家阿尔维塞·巴斯蒂亚内洛合作，描述了一种名为“分数费米海”的奇异量子态。
相关理论成果发表在国际物理学权威期刊《物理评论快报》上，配套的实验实现论文目前正在同行评审中。
这项发现不仅刷新了人们对量子物质的认识，还对一维量子系统的经典理论提出了挑战。
研究团队成员来自奥地利、法国、西班牙等多个国家，体现了量子物理领域的国际合作。
当费米子不再“规规矩矩排队”
要理解这项发现，得先认识一种叫“费米子”的粒子。电子就是最常见的费米子，它们有一个“怪脾气”：任何两个都不能占据同一个量子态。
于是在极低温下，费米子只能像观众入场一样，从最低的能量“座位”开始一个个往上坐，填满所有可用的位置。物理学家把这种整齐的排列称为“费米海”。
与之相对的另一类粒子叫玻色子，它们则可以“挤”在同一个状态里。
巴斯蒂亚内洛提出了一个大胆的问题：如果强迫相互作用的原子不断在极端条件之间循环，会发生什么？
他们设想的极端条件，是让原子之间从强烈排斥，平滑地转变为强烈吸引，然后再反复切换。
在实验中，科学家可以借助磁场精确调节原子间相互作用的强弱和正负，这为这种“极限操作”提供了可能。
反复“搅动”，却搅出了秩序
为了回答这个问题，研究团队选择了超冷铯原子，并把它们限制在一维空间里。这就好比让原子只能在一条细细的“轨道”上前后移动，科学家因此能以极高的精度观察和调控它们之间的相互作用。
有意思的是，铯原子本身属于玻色子，但在一维空间里强烈排斥时，它们会像费米子一样彼此“回避”，这为分数费米海的出现埋下了伏笔。
理论计算揭示了一个出人意料的结果。从能量最低的基态出发，原子可以被驱动进入高度激发的状态，却没有丢失其内在的组织结构。
论文第一作者Yi Zeng解释说，相互作用循环并没有简单地加热系统，而是把原子重组成了一种全新的多体状态。
研究人员之所以称之为“分数费米海”，是因为其中的粒子似乎遵循一种被修改过的量子态占据规则，不再是传统费米海那种一人一座。
换个形象的说法，原来每个座位只坐一人，现在则像是按照某种“分数”规则重新排座。这一状态最迷人之处，在于它远离平衡态却依然井然有序。
在物理学中，远离平衡态的系统往往行为复杂、难以预测。但分数费米海并非一群随机乱动的激发粒子，而是隐藏着独特的数学规律。
其中最显著的特征之一，是被称为“弗里德尔振荡”的波纹状起伏。研究人员还发现，粒子间的关联随距离衰减的方式非同寻常，即便排斥作用相对较弱也是如此。
内格尔形容说，这个状态高度激发，但并不随机，它的隐藏秩序会在关联中显现出来。
挑战经典理论的“超级费米子”
这些特征之所以重要，是因为它们与“朝永-拉廷格液体理论”的预测并不相符。
该理论是描述一维相互作用量子粒子行为的经典框架，统治这一领域已有数十年。新发现表明，存在一种无法完全用这一熟悉图景来描述的量子行为。
奇特的行为也引出了另一个问题：系统中涌现出的“准粒子”究竟是什么？
准粒子是由大量粒子协同运动形成的集体激发，表现得如同单个粒子。内格尔坦言，团队还不确定该如何为这些新准粒子命名，也许可以叫它们“超级费米子”。
这项研究也展示了量子模拟的威力。超冷原子就像一个可以精细调节的“量子沙盘”，科学家能借此探索在其他体系中难以重现的物理现象。
与依赖真实材料的实验相比，量子模拟的优势在于参数可控、干扰更少，能够把复杂问题“提纯”出来研究。
目前，相关实验论文已在预印本平台公开，正在接受同行评审，这将为理论预言提供关键的实验检验。内格尔认为，分数费米海的发现说明，量子模拟已经不仅能重现已知模型，还能创造和探测超越现有范式的全新状态。
从基础物理的角度看，这为理解强关联量子物质打开了新窗口。未来，这类隐藏秩序或许还会为量子材料和量子信息研究带来新的灵感。
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