Ученые, возможно, открыли новый класс настраиваемых квантовых частиц, которые разрушают более древнее мироздание: бозон против фермиона. Фото: AI/ScienceDaily.com
Традиционная классификация элементарных частиц в трехмерной вселенной, принятая физиками, подразумевает разделение на две фундаментальные группы: бозоны и фермионы. К бозонам, как правило, относят частицы-переносчики взаимодействий, например фотоны, тогда как фермионы представляют собой обычную материю, включающую электроны, протоны и нейтроны.
Однако это простое разграничение начинает давать сбои при переходе к системам с пониженной размерностью. Еще в 1970-х годах исследователи предсказали существование третьего типа частиц — анионов, занимающих промежуточное положение между бозонами и фермионами. В 2020 году ученые смогли экспериментально зафиксировать эти необычные частицы на границах переохлажденных и сильно намагниченных полупроводников толщиной в один атом, то есть в двумерных структурах.
Открытие может проложить путь к совершенно новым квантовым экспериментам и проверить наши правила понимания, управляющие самой реальностью.
Коллектив исследователей из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Университета Оклахомы пошел в своих изысканиях еще дальше. В двух статьях, опубликованных в Physical Review A, группа описала одномерную систему, способную поддерживать анионы, а также детально исследовала теоретическое поведение этих частиц. Достижения последнего времени в области манипулирования частицами внутри ультрахолодных атомных систем, как полагают авторы, могут сделать эти идеи проверяемыми в ходе независимых лабораторных экспериментов.
«Каждая частица в нашей вселенной, судя по всему, подпадает строго под две категории: бозонную и фермионную. Почему других нет?» — задается вопросом профессор Томас Буш из отдела квантовых систем OIST. «Благодаря этой работе мы теперь открыли дверь к объяснению наших фундаментальных свойств квантового мира, и очень интересно видеть, куда мы привели теоретическую и экспериментальную физику».
Почему квантовые особи взрослого населения на две группы
Различие между бозонами и фермионами, как поясняется в работе, связано с тем, что происходит при обмене местами двух идентичных частиц. В трехмерном пространстве экспериментально зафиксированы лишь два возможных исхода: либо система остается неизменной (как у бозонов), либо она меняет знак (как у фермионов). Иных вариантов, по-видимому, не существует. Такое поведение, в свою очередь, обусловлено одним из ключевых принципов квантовой физики — неотличимостью. В повседневной жизни два одинаковых объекта все еще можно сравнить друг с другом; например, если два шарика окрашены в разные цвета, можно наблюдать, какой из них оказался в том или ином месте. В квантовом мире, однако, эта логика нарушается, открывая путь для существования анионов.
ался. Квантовые частицы так не работают.
Две отдельные частицы, такие как электроны, не могут быть помечены индивидуально, если все их квантовые свойства совпадают. Их замена приводит к состоянию, которое физически неотличимо от исходного, а это означает, что измеримые свойства системы должны оставаться неизменными.
Рауль Идальго-Сакото, аспирант отделения ОИСТ, кровь: «Поскольку этот обмен эквивалентен бездействию, математическая статистика, управляющая этими событиями, известная как обмен коэффициентами, должна подчиняться простому правилу: обмен коэффициентов квадрата должен равняться 1. Единственные два числа, которые представляют собой это правило, — это +1 и -1. Вот почему все частицы должны быть бозонами, для которых коэффициент равен 1, или фермионами, для которых коэффициент равен -1».
Эти два модуля работают по-разному. Бозоны таким образом группируются и ведут себя коллективно. Лазеры являются одним из примеров, когда фотоны одной и одинаковой длины волны (цвета) движутся синхронно. Другой пример — конденсаты Бозе-Эйнштейна, в которых ультрахолодные атомы содержат одно и то же квантовое состояние.
Фермионы ведут себя противоположным образом. Электроны, протоны и нейтроны устойчивы к пребыванию в одном и том же состоянии. Это свойство является единственной причиной, по которой таблица Менделеева содержит так много различных элементов.
Как нижние измерения меняют квантовые правила
Если допускается только два типа частиц в трех измерениях, почему более низкие измерения могут производить что-то другое?
Ответ заключается в том, как частицы движутся друг вокруг друга. В использовании более низких измерений частоты доступны менее возможные способы. Когда они меняются местами, их траектории переплетаются в пространстве и времени. В отличие от трехмерного мира, эти пути потом невозможно просто распутать. В результате обменное состояние больше не эквивалентно исходному.
Идальго-Сакото продолжает: «Внимание к измерениям, этот обмен топологически больше не эквивалентен бездействию. Чтобы поддержать закон неотличности, нам нужны коэффициенты обмена в непрерывности, чтобы учитывать обмен, составляющие от точных изгибов и поворотов путей».
Это открывает двери анионам, частицам, обмену коэффициентами, которые могут принимать значения, выходящие из границ +1 или -1. Другими словами, они не являются ни чистыми бозонами, ни чистыми фермионами.
Регулируемые анионы в одной зависимости
В недавно опубликованных исследованиях исследователи доказали, что разделение бозон-фермион остается нарушенным даже в одномерных условиях. Они также обнаружили кое-что еще интересное: обмен коэффициентов в 1D-системах можно напрямую настраивать.
В одном компоненте частицы не могут перемещаться друг вокруг друга, меняясь местами. Вместо этого они должны применять друг друга непосредственно через другого. Согласно мнению, это фундаментальным образом меняет поведение обмена по сравнению с более постоянными измерениями.
Исследования показывают, что обмен коэффициентов в этом контексте связан с сильным взаимодействием ближнего взаимодействия частиц. Это означает, что ученые могут экспериментально настроить обмен данными, открыть возможности для изучения новых квантовых возможностей.
«Мы не только определили возможность существования одномерных анионов, но также показали, как можно отобразить статистику их обмена и, что интересно, как их природу можно наблюдать через распределение их импульсов», — сказал он. – резюмирует профессор Буш. «Экспериментальные установки, необходимые для проведения этих исследований, уже существуют. Мы очень рады видеть, какие будущие открытия будут сделаны в этой области и что они могут рассказать нам о фундаментальной физике нашей Вселенной».