Uhyggelige kvantepartikelpar flyver som underlige kurvekugler

Kurvede baseballbaner har overraskende ting til fælles med kvantepartikler beskrevet i et nyt fysikstudie, selvom sidstnævnte flyver meget mere underligt.

Faktisk, ultrakolde parrede partikler kaldet fermioner skal opføre sig endnu mærkeligere, end fysikere tidligere troede, ifølge teoretiske fysikere fra Georgia Institute of Technology, som matematisk studerede deres flyvemønstre. Allerede, flyvende kvantepartikler var kendt for deres underlighed.

For at forstå hvorfor, start med ligheder med en baseball og tilføj derefter væsentlige forskelle.

En kande giver spin, momentum, og energi til en baseball, når du kaster en curveball, en forandring, eller en skyder. Fermioners sjove flyvninger er ligeledes udskåret af spins, momenta, og energier, men også af kraftfulde kvanteexcentriciteter som sammenfiltring, som Albert Einstein engang kaldte "uhyggelig handling på afstand" mellem kvantepartikler.

I den nye undersøgelse, forskerne forudsagde endda, at partiklerne kan fungere som forskellige kvantekugler kaldet bosoner for at efterligne den måde, fotoner, eller partikler af lys, flyve. En forenklet forklaring af disse ultrakolde parrede partikler og deres ulige flyvninger er nedenfor.

Modellering af let stof

Disse påvirkninger kombineres for at give fermioner et banerepertoire, der er meget underligere end nogen mesterbaseball-pitchers, og den nye undersøgelse kortlægger det og åbner nye måder at observere det eksperimentelt på. Georgia Tech-teamet tog den offbeat tilgang med at tilføje kvanteoptiske – eller lyslignende – ideer til deres forudsigelige beregninger af disse pletter af stof og nåede frem til øjenbrynsløftning, indsigtsfulde resultater.

"Den partikeladfærd, vi forudsagde, er bare skizofren, " sagde Uzi Landman, Regents' and Institute Professor og F.E. Callaway Endowed Chair i Georgia Tech's School of Physics.

Matematiske og teoretiske detaljer kan findes i undersøgelsen i tidsskriftet Fysisk gennemgang A , hvilken Landmand, første forfatter Benedikt Brandt, som er uddannet forskningsassistent, og seniorforsker Constantine Yannouleas offentliggjorde den 4. maj, 2018. Deres forskning blev finansieret af Air Force Office of Scientific Research.

Flyvende fermioner forklaret

At spore kvantekurvekugler er kontraintuitivt af natur med begreber som fermioner, bosoner, spins, uhyggelig sammenfiltring, og partikel-bølge dualitet. Så, lad os gå trin-for-trin for at forstå dem og undersøgelsens indsigt.

Boldspillet kredser om fermionpar. Fermioner kan være subatomære partikler eller hele atomer. I dette tilfælde, fysikerne modellerede ved hjælp af atomer.

Udtrykket fermion refererer til kvantestatistiske egenskaber, som partiklen har i modsætning til egenskaberne af dens modstykke partikel kaldet en boson, især partiklens spin, som kaldes halvt heltal for fermioner og fuldt heltal for bosoner. (Disse spins er ikke helt som dem på en bold. For mere, se:Fermioner og bosoner for dummies.)

"Fotoner og Higgs bosoner er eksempler på bosoner, " sagde Landman. "Bosoner er selskabelige:To eller flere bosoner kan dele nøjagtig den samme plads. Dette gør det muligt for mange af dem at blive overlejret på hinanden på det samme lille sted."

"Fermioner, på den anden side, er standoffish. De gør krav på deres eget rum, og del det ikke med andre partikler. Fermioner kan stables oven på hinanden, men optager ikke den samme plads."

Elektroner, protoner, neutroner, og nogle atomer er almindelige eksempler på fermioner.

Laser-pinde baseballs

Den teoretiske undersøgelse forestiller sig to fermioniske atomer, der starter omhyggeligt holdt ved siden af ​​hinanden af ​​to par "pincet" lavet af skærende laserstråler, som det faktisk gøres i anvendelige fysikforsøg. I studiets teoretiske setup, lasere og specielle magnetfelter ville også blive brugt til at bremse fermionerne til næsten at stoppe, gør dem "ultrakolde" ved 0,000000001 grader Kelvin, eller -273,15 grader Celsius (-459,67 grader Fahrenheit).

Det er et stykke over det absolutte nul, den lavest mulige temperatur i universet, og kolde partikler gør mærkelige ting.

"En partikels bevægelse er normalt hektisk, men afkølingen bremser den næsten til stilstand, sagde Landmand, som også er direktør for Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "Og disse partikler har også bølgeegenskaber, og ved den temperatur, bølgelængden bliver enormt lang."

"Bølgerne bliver mikron i størrelse. Det ville være som en sten, der vokser til en tredjedel af størrelsen på dette land. Når det sker, atomet bliver faktisk synligt under et optisk mikroskop."

Den oppustede størrelse gør det lettere for forskere at kende de to partiklers startplaceringer. Når de slukker laserpincet, fermionerne flyver væk. Partiklernes bølgeegenskaber har også meget at gøre med deres underlige flyvninger.

"En partikel i bevægelse vil fungere som et projektil under visse omstændigheder. Men i andre, det vil opføre sig som en bølge, " sagde Landman. "Vi kalder det kvanteverdenens dualitet."

Sammen eller hver for sig

"Hvis du opsætter to detektorer i forskellige positioner, men i samme afstand fra partikelparret, hvor ofte de to flyver ind i den samme detektor, eller hvor ofte de flyver ind i separate detektorer, siger meget om de partikler, " sagde Landman. "Og det er her, vores mærkelige fund kommer ind."

Fermioner forventes at flyve anderledes end bosoner, men de teoretiske fysikeres undersøgelse af fermioner reviderer denne idé. Afhængigt af graden af ​​kvantesammenfiltring mellem de to fermioner før de frigives og afhængigt af deres energiniveau, de kan fungere som fermioner eller fungere som bosoner.

"Dette tilføjer nye mærkeligheder til den allerede etablerede skizofrene partikelbølge-dualitet, " sagde Landman.

"Et par fotoner (som er bosoner) flyver til det samme sted. De bliver som et par, " sagde Landman. "De er sociale dyr, og du finder dem enten begge i den ene detektor eller begge i den anden. Vi kalder dette fænomen 'klumpning'."

Weirdo flyveveje

Fermioner forventes ofte at gøre det modsatte, kaldet anti-klumpning, men ifølge undersøgelsen, hvordan de flyver afhænger af, om de har uhyggelig interaktion eller ej, og hvis så, om interaktionen er attraktiv eller frastødende.

"Hvis de interagerer, og afhængigt af startenerginiveauet, vi forudser, at de kan gøre mærkelige ting, når de flyver, " sagde Landman. "Det er nyt."

"På grundenerginiveauet, kaldet grundtilstand, vores to fermioner, der interagerer med ultra-stærk frastødning, opfører sig fermionisk, hvilket betyder, at de undgår hinanden. Nu, hvis de interagerer med stærk tiltrækning, de samler den måde bosoner gør, " sagde Landman. "Indtil videre, alt som forventet."

Men når de fangede partiklers energiniveau stiger, eller excitation, via en ekstra laser eller et magnetfelt, ser ud til at øge partiklernes mærkelighed. Excitationsniveauerne kan fordreje reglerne for, hvad interaktioner gør ved en fermions flyvning, ifølge den teoretiske undersøgelse.

For eksempel, den ovennævnte fermioniske adfærd, der normalt er forbundet med stærk frastødende interaktion, kan blive bosonisk, ifølge fysikernes beregninger. Med andre ord, de to partikler ville flyve til den samme detektor, som bosoner gør.

Ordnet kvanteskizofreni

"Så skørt alt det her ser ud, der ser ud til at være en stærk pålidelighed i denne adfærd, som endda kunne manipuleres forudsigeligt og praktisk, " sagde Landman.

Som med en kande, der finesser en skruebolds vej, fysikere kunne bestemme en fermions underlige flyvning ved hjælp af kvantemekanisk formulering, avanceret beregningssimulering, og eksperimenter, sagde undersøgelsen.

"Det ser ud til, at du måske endda er i stand til at konstruere, hvad denne kvanteunderlighed gør, " sagde Landman. "Hvis du kender partikeltilstande pålideligt, du kan muligvis bruge dem som en ressource til kvanteberegninger og informationslagring og -hentning."