|
Экзотические квазичастицы в холодных уголках Вселенной
|
|
|
|
Природа подразделяет частицы на два основных типа: фермионы и бозоны. В то время как частицы, образующие материю, такие как кварки и электроны, принадлежат к семейству фермионов, бозоны обычно служат переносчиками взаимодействия - примерами могут служить фотоны, которые опосредуют электромагнитные взаимодействия, и глюоны, которые управляют ядерными взаимодействиями.
|
|
|
|
Когда два фермиона обмениваются, квантовая волновая функция принимает знак минус, то есть, математически говоря, фазу, равную pi. Для бозонов это совершенно другое дело: их фаза при обмене равна нулю.
|
|
|
|
Это квантово-статистическое свойство имеет серьезные последствия для поведения как фермионных, так и бозонных квантовых систем, состоящих из множества тел. Это объясняет, почему периодическая таблица Менделеева построена именно так, как она есть, и лежит в основе сверхпроводимости.
|
|
|
|
Однако в системах с низкой размерностью появляется новый удивительный класс частиц: анионы - не фермионы и не бозоны, с фазами обмена между нулем и числом пи. В отличие от традиционных частиц, анионы не существуют независимо, а возникают как возбуждения в квантовых состояниях материи. Это явление сродни фононам, которые проявляются в виде колебаний струны, но ведут себя как отдельные "звуковые частицы".
|
|
|
|
|
|
|
В то время как фононы 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 анионного поведения в трехмерном ультрахолодном бозонном газе.
|
|
|
|
Это исследование является результатом сотрудничества экспериментальной группы Ханнса-Кристофа Негерля из Университета Инсбрука (Австрия), теоретика Михаила Звонарева из Университета Париж-Сакле и теоретической группы Натана Голдмана из Свободного университета Брюсселя (Бельгия) и Коллеж де Франс (Париж).
|
|
|
|
Исследовательская группа добилась этого замечательного результата, внедрив и ускорив подвижную примесь в сильно взаимодействующий бозонный газ, тщательно проанализировав распределение ее импульса. Их результаты показывают, что примесь способствует появлению любых элементов в системе.
|
|
|
|
"Что примечательно, так это то, что мы можем непрерывно переключаться на статистическую фазу, что позволяет нам плавно переходить от бозонного к фермионному поведению", - говорит Судипта Дхар, один из ведущих авторов исследования. "Это представляет собой фундаментальный прогресс в нашей способности создавать экзотические квантовые состояния".
|
|
|
|
Ботао Ванг, теоретик, соглашается: "Наше моделирование непосредственно отражает этот этап и позволяет нам очень точно отражать результаты экспериментов в наших компьютерных симуляциях".
|
|
|
|
Эта элегантно простая экспериментальная структура открывает новые возможности для изучения любого объекта в квантовых газах с высокой степенью контроля. Помимо фундаментальных исследований, такие исследования особенно интересны, поскольку предполагается, что определенные типы компьютеров позволят проводить топологические квантовые вычисления — революционный подход, который может преодолеть ключевые ограничения современных квантовых процессоров.
|
|
|
|
Это открытие знаменует собой ключевой шаг в исследовании квантовой материи, проливающий новый свет на поведение экзотических частиц, которое может определить будущее квантовых технологий.
|
|
|
|
Источник
|
