«Апостериори»: Физики описали новый класс одномерных квантовых частиц

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Исследователи из Института науки и техники в Окинаве показали, что в одномерных системах могут существовать частицы с необычной квантовой статистикой, не сводящейся к привычному разделению на бозоны и фермионы.

В квантовой механике поведение частиц во многом определяется тем, как меняется их волновая функция при перестановке двух одинаковых частиц местами. Обычно считается, что возможны только два варианта. Если волновая функция не меняется, частицы относятся к бозонам. Если меняет знак – к фермионам. Именно это различие лежит в основе многих фундаментальных свойств вещества. Например, благодаря принципу запрета Паули электроны не могут занимать одно и то же квантовое состояние, что в конечном счёте определяет структуру атомов и свойства химических элементов.

Однако ещё несколько десятилетий назад физики выяснили, что в двумерных системах могут существовать частицы промежуточного типа – так называемые анионы. При их перестановке волновая функция получает более сложное фазовое изменение. Такие состояния сегодня рассматриваются как один из возможных путей к созданию устойчивых квантовых компьютеров.

До сих пор считалось, что подобное поведение возможно только в двумерных системах. Причина связана с геометрией пространства. В трёхмерном мире частицы могут свободно обходить друг друга, и разные траектории обмена оказываются топологически эквивалентны. Но в двумерных системах траектории начинают «заплетаться», из-за чего квантовая статистика становится более сложной.

В новой работе исследователи показали, что необычная статистика может возникать даже в одномерной системе – то есть в ситуации, где частицы фактически могут двигаться только вперёд или назад вдоль линии.

На первый взгляд это кажется невозможным. В одном измерении частицы не могут обойти друг друга сбоку. Чтобы поменяться местами, они должны буквально пройти друг через друга. Именно это, по мнению авторов работы, и приводит к появлению нового типа квантового поведения.

Исследователи разработали математическую модель таких частиц и показали, что их свойства нельзя полностью описать ни как бозонные, ни как фермионные. При этом возникающая статистика зависит от взаимодействия между частицами.

Авторы работы также предложили возможный способ экспериментальной проверки своей теории. По их мнению, подобные эффекты могут наблюдаться в системах ультрахолодных атомов, где взаимодействия между частицами можно очень точно контролировать с помощью внешних полей и оптических ловушек.

Работа затрагивает и более фундаментальный вопрос: насколько свойства квантовых частиц зависят от размерности пространства. Новые результаты показывают, что разделение на бозоны и фермионы может быть не универсальным законом природы, а следствием геометрии мира, в котором движутся частицы.

Исследователи отмечают, что подобные одномерные системы уже активно изучаются в физике конденсированного состояния и квантовых технологиях. Поэтому новая теория может оказаться полезной не только для фундаментальной физики, но и для разработки будущих квантовых устройств.