Квантовый шок: физики впервые превратили бозоны в экзотические частицы, это изменит технологии

Фото: popularmechanics.com

Ученые получили новую информацию о поведении экзотических частиц. Они впервые превратили бозоны в экзотические одномерные анионы и это открытие не только меняет понимание квантовой материи, но и открывает новые возможности для создания будущих квантовых технологий. Исследование опубликовано в журнале Nature, пишет Interesting Engineering.

Физики разработали новый метод создания экзотических квазичастиц, известных как анионы в ультрахолодной среде. В рамках исследования физики ввели подвижную примесь в одномерный газ из сильно взаимодействующих бозонов, охлажденных почти до абсолютного нуля (минус 273 градуса Цельсия).

По мере того, как примесь перемещалась через систему, она возмущала окружающий газ, создавая новую квазичастицу с дробной статистикой, одномерный анион, который до сих пор наблюдался только в двумерных системах.

Фермионы и бозоны: что это

• Все элементарные частицы делят на фермионы или бозоны. Их различие основано на их спине (внутреннем угловом моменте) и том, как они себя ведут коллективно. Фермионами являются электроны и кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в ядре атома. Эти частицы создают структуру материи. Бозонами являются фотоны (частицы света) и глюоны, а также разные версии бозонов. Эти частицы являются переносчиками трех из четырех главных сил природы: электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия. Четвертой силой является гравитация.
• Фермионы подчиняются принципу исключения Паули. Это означает, что два идентичных фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние одновременно.
• Бозоны не подчиняются принципу исключения Паули. Любое количество идентичных бозонов может находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно.

Физики впервые превратили бозоны в одномерные анионы

Одно из фундаментальных отличий между фермионами и бозонами заключается в том, что происходит, когда две идентичные частицы меняются местами, когда волновая функция фермионов приобретает знак минус, фазовый сдвиг числа Пи, в то время как бозоны остаются неизменными.

В одномерных и двумерных системах квазичастицы, известные как анионы, демонстрируют фазовые сдвиги между нулем и числом Пи, которые лежат между фермионами и бозонами. В отличие от отдельных частиц, они не существуют независимо, а возникают как возбуждения в квантовых состояниях материи, подобно фононам, возникающим при колебаниях твердых тел.

До сих пор такое экзотическое поведение было обнаружено только в двумерных средах, но ученые впервые обнаружили, что такое поведение может также возникнуть в одномерном ультрахолодном бозонном газе. Исследование показало, что можно настраивать статистическую фазу, что позволяет плавно переходить от бозонного к фермионному поведению.

Новые технологии

По словам физиков, результате исследования открывают новые возможности для достижения точного контроля экзотических квантовых состояний. Ученые считают, что это открытие может иметь значительные последствия для квантовых вычислений, особенно в топологических квантовых вычислениях. Эта область направлена ​​на использование уникальных свойств анионов для выполнения устойчивых к ошибкам вычислений.

Также физики говорят, что это открытие знаменует собой поворотный шаг в исследовании квантовой материи, проливая новый свет на поведение экзотических частиц, которое может сформировать будущее квантовых технологий.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform