Экзотические квазичастицы в самых холодных уголках Вселенной

Частицы в природе можно разделить на два фундаментальных типа: фермионы и бозоны. В то время как частицы, создающие материю, такие как кварки и электроны, относятся к семейству фермионов, бозоны обычно служат переносчиками сил — примером могут служить фотоны, опосредующие электромагнитное взаимодействие, и глюоны, управляющие ядерными силами. При обмене двумя фермионами квантовая волновая функция приобретает знак минус, то есть, говоря математическим языком, фазу пи.

С бозонами дело обстоит совершенно иначе: их фаза при обмене равна нулю. Это квантовое статистическое свойство имеет радикальные последствия для поведения фермионных или бозонных квантовых систем многих тел. Оно объясняет, почему периодическая таблица построена так, как она построена, и лежит в основе сверхпроводимости.

Однако в низкоразмерных системах возникает новый интересный класс частиц: анионы — ни фермионы, ни бозоны, с фазами обмена между нулем и пи. В отличие от традиционных частиц, анионы не существуют самостоятельно, а возникают как возбуждения внутри квантовых состояний материи. Это явление сродни фононам, которые проявляются как колебания струны, но при этом ведут себя как отдельные «частицы звука». В то время как анионы наблюдались в двумерных средах, их присутствие в одномерных (1D) системах оставалось неуловимым — до сих пор.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, сообщается о первом наблюдении эмерджентного поведения анионов в одномерном ультрахолодном бозонном газе. Исследовательская группа из Университета Инсбрука достигла этого замечательного результата, введя и ускорив подвижную примесь в сильно взаимодействующий бозонный газ и тщательно проанализировав распределение ее импульса. Результаты исследования показали, что примесь обеспечивает возникновение анионов в системе.

«Примечательно то, что мы можем изменять статистическую фазу непрерывно, что позволяет плавно переходить от бозонного к фермионному поведению», — говорит Судипта Дхар, один из ведущих авторов исследования. «Это фундаментальный прогресс в нашей способности создавать экзотические квантовые состояния». Теоретик Ботао Ванг соглашается с ним: «Моделирование позволяет нам очень хорошо отразить экспериментальные результаты в компьютерных симуляциях».

Эта простая экспериментальная схема открывает новые возможности для изучения анионов в высококонтролируемых квантовых газах. Помимо фундаментальных исследований, такие работы особенно интересны тем, что определенные типы анионов, согласно прогнозам, могут обеспечить топологические квантовые вычисления — революционный подход, который может преодолеть ключевые ограничения современных квантовых процессоров.

Это открытие знаменует собой поворотный шаг в исследовании квантовой материи, проливая новый свет на поведение экзотических частиц, которые могут определить будущее квантовых технологий.

[Фото: University of Innsbruck / Hanns-Christoph Nägerl]