Fysikere kvantesimulerer et system, hvor fermioner med flere smagsstoffer opfører sig som bosoner

I lærebogen om kvantemekanik, det siges, at bosoner og fermioner, to typer elementarpartikler, der bygger universet, opføre sig på en drastisk anden måde. For eksempel, bosoner kan dele den samme kvantetilstand, mens fermioner af samme slags ikke kan andet end at udfylde tilgængelige kvantetilstande én efter én.

Alligevel, moderne udvikling inden for kondenseret stoffysik og højenergifysik har antydet, at grænsen mellem bosoner og fermioner kan udviskes. Et af sådanne eksempler er en gas af flersmagsfermioner, hver identificeret ved et andet spin, hvor enhver to smagsvarianter interagerer med hinanden ved den samme interaktion. Multi-flavor fermioner med sådan en SU(N) symmetri forventes at opføre sig som et ensemble af spinløse bosoner, når antallet af forskellige spins i systemet bliver meget stort. Forskerne ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) og Purdue-universitetet bruger kvantesimulering til at udforske et sådant 'bosoniserings'-fænomen med ultrakolde fermioner i tre dimensioner.

Bosonisering er blevet udforsket – teoretisk og eksperimentelt – i endimensionelle systemer. Men det er uklart, om bosonisering forekommer i højere dimensionelle systemer, hovedsagelig fordi nøjagtige løsninger til det interagerende mange-krops-system er ukendte. Her, viser forskerne, for første gang, at det forekommer i tredimensionelle systemer ved at måle to-kropskontakter, den centrale størrelse, der styrer alle termodynamiske mængder af fortyndede kvantegasser lige fra energien til trykket. Beviser for bosonisering i kontakter viser således, at alle andre termodynamiske størrelser også nærmer sig bosonernes.

Under forsøget, forskerne kontrollerer antallet af fermionspin fra 1 til 6, og overvåge, hvordan kontakten af ​​fermioner nærmer sig kontakten med bosoner.

Gyu-Boong Jo, Lektor i fysik ved HKUST, en af ​​lederne af forskerholdet, sagde, "Vores eksperimentelle observation bekræfter, at multi-flavor fermioner kan bosonisere med det stigende antal spins i tre dimensioner. Det er bemærkelsesværdigt at kvantesimulere en speciel type fermioniske systemer, der er svære at realisere i faste stoffer og at løse et åbent spørgsmål".

Dette arbejde har demonstreret en metode til at overvåge kontakter som et nyt værktøj til at udforske kvantestof og dets underliggende symmetrier. I særdeleshed, dette baner vejen for den præcise undersøgelse af SU(N)-symmetriske fermioner, hvor ikke-identiske fermioner interagerer identisk, som ikke er let tilgængelige i rigtige materialer.