Quantum copycat:Forskere finder en ny måde, hvorpå bosoner opfører sig som fermioner

Bosoner og fermioner, de to klasser, som alle partikler - fra underatomet til selve atomerne - kan sorteres i, opfører sig meget anderledes under de fleste omstændigheder. Mens identiske bosoner kan lide at samles, identiske fermioner har tendens til at være asociale. Imidlertid, i én dimension – forestil dig partikler, der kun kan bevæge sig på en linje – kan bosoner blive lige så ustabile som fermioner, så ikke to indtager samme position. Nu, ny forskning viser, at det samme – bosoner, der fungerer som fermioner – kan ske med deres hastigheder. Fundet bidrager til vores grundlæggende forståelse af kvantesystemer og kan informere den eventuelle udvikling af kvanteanordninger.

"Alle partikler i naturen findes i en af ​​to typer, afhængig af deres spin, ' en kvanteegenskab uden nogen reel analog i klassisk fysik, " sagde David Weiss, Fremragende professor i fysik ved Penn State og en af ​​lederne af forskerholdet. "Bosoner, hvis spin er hele heltal, kan dele den samme kvantetilstand, mens fermioner, hvis spin er halve heltal, kan ikke. Når partiklerne er kolde eller tætte nok, bosoner opfører sig helt anderledes end fermioner. Bosoner danner 'Bose-Einstein-kondensater, ' samles i samme kvantetilstand. Fermioner, på den anden side, udfyld tilgængelige tilstande én efter én for at danne det, der kaldes et 'Fermi-hav'."

Forskere ved Penn State har nu eksperimentelt påvist, at når bosoner udvider sig i én dimension – linjen af ​​atomer får lov at sprede sig ud for at blive længere – kan de danne et Fermi-hav. Et papir, der beskriver forskningen, udkommer 27. marts, 2020 i bladet Videnskab .

"Identiske fermioner er asociale, du kan ikke have mere end én på samme sted, så når de er meget kolde, interagerer de ikke, " sagde Marcos Rigol, professor i fysik ved Penn State og den anden leder af forskerholdet. "Bosoner kan være på samme sted, men dette bliver energimæssigt for dyrt, når deres interaktioner er meget stærke. Som resultat, når de er tvunget til at bevæge sig i en-dimension, deres rumlige fordeling kan ligne den for ikke-interagerende fermioner. Tilbage i 2004, Davids forskergruppe demonstrerede eksperimentelt dette fænomen, som blev teoretisk forudsagt i 1960'erne."

Selvom de rumlige egenskaber af stærkt interagerende bosoner og ikke-interagerende fermioner er de samme i én dimension, bosoner kan stadig have samme hastigheder som hinanden, mens fermioner ikke kan. Dette skyldes partiklernes grundlæggende natur.

"I 2005 Marcos, derefter en kandidatstuderende, forudsagde, at når stærkt interagerende bosoner udvides i én dimension, deres hastighedsfordeling vil danne et Fermi hav, " sagde Weiss. "Jeg var meget spændt på at samarbejde med ham om at demonstrere dette slående fænomen."

Forskerholdet skaber en række ultrakolde endimensionelle gasser, der består af bosoniske atomer ("Bose-gasser") ved hjælp af et optisk gitter, som bruger laserlys til at fange atomerne. I lysfælden, systemet er i ligevægt, og de stærkt interagerende Bose-gasser har rumlige fordelinger som fermioner, men har stadig bosonernes hastighedsfordelinger. Da forskerne slukkede noget af fangstlyset, atomerne udvider sig i én dimension. Under denne udvidelse, hastighedsfordelingen af ​​bosonerne forvandles jævnt til en, der er identisk med fermioner. Forskerne kan følge denne transformation, mens den sker.

"Dynamikken af ​​ultrakolde gasser i optiske gitter er kilden til mange nye fascinerende fænomener, som først for nylig er begyndt at blive udforsket, " sagde Rigol. "F.eks. Daves gruppe viste i 2006, at noget så universelt som temperatur ikke er veldefineret, efter at Bose-gasser gennemgår dynamik i én dimension. Mine samarbejdspartnere og jeg relaterede denne opdagelse til en smuk underliggende matematisk egenskab ved de teoretiske modeller, der beskriver hans eksperimenter, kendt som 'integrerbarhed'. Integrerbarhed spiller en central rolle i vores nyligt observerede dynamiske fermioniseringsfænomen."

Fordi systemet er "integrerbart, "Forskerne kan forstå det meget detaljeret og ved at studere den dynamiske adfærd af disse endimensionelle gasser, Penn State-holdet håber at løse brede problemer inden for fysik.

"I det sidste halve århundrede er mange universelle egenskaber ved ligevægtskvantesystemer blevet belyst, " sagde Weiss. "Det har været sværere at identificere universel adfærd i dynamiske systemer. Ved fuldt ud at forstå dynamikken i endimensionelle gasser, og derefter ved gradvist at gøre gasserne mindre integrerbare, vi håber at identificere universelle principper i dynamiske kvantesystemer."

Dynamisk, interagerende kvantesystemer er en vigtig del af fundamental fysik. De er også stigende teknologisk relevante, da mange faktiske og foreslåede kvanteenheder er baseret på dem, herunder kvantesimulatorer og kvantecomputere.

"Vi har nu eksperimentel adgang til ting, som hvis du ville have spurgt en hvilken som helst teoretiker, der arbejder på området for ti år siden, 'vil vi se dette i vores levetid?' de ville have sagt 'ingen måde, " sagde Rigol.

Ud over Rigol og Weiss, forskerholdet i Penn State omfatter Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, og Yicheng Zhang. Forskningen blev finansieret af U.S. National Science Foundation og U.S. Army Research Office. Beregninger blev udført på Penn State Institute for Computational and Data Sciences.