Observation af fraktioneret udelukkelsesstatistikker i kvantekritisk stof

Et kvantesystem bestående af et stort antal mikroskopiske partikler adlyder statistiske love på makroskopisk niveau. I naturen er der to slags mikroskopiske kvantepartikler. Den ene er bosonen, der opfylder Bose-Einstein-statistikken, og den anden er fermionen, der opfylder Fermi-Dirac-statistikken.

For interagerende kvantesystemer er sådanne to typer statistik imidlertid ikke de eneste former for kvantestatistik. For eksempel kan anyonisk statistik opstå i todimensionelle (2D) elektroner. I 1991 foreslog nobelfysikprisvinderen F. D. M. Haldane et nyt koncept for fraktioneret udelukkelsesstatistik (FES), som er en generaliseret statistisk fordeling, hvor Bose- og Fermi-fordelingerne er de to begrænsende tilfælde. I 1994 studerede fysiker Yongshi Wu og andre de termodynamiske egenskaber af systemer, der tilfredsstiller FES. Efterfølgende er teorien om FES blevet brugt til at udføre teoretiske undersøgelser af den fraktionerede Hall-effekt, kvantegasser, spin-modeller, anyoner og mange andre kvante-mangekropsproblemer. Observation af FES i realistiske eksperimenter er dog stadig udfordrende og sparsom.

Endimensionelle Bose-gasser med frastødende vekselvirkning er blevet en vigtig platform for eksperimentelle undersøgelser af kvante-mangelegemefysik i de senere år. Sådanne gasser har teoretisk vist sig at tilfredsstille gensidig FES i kvasi-momentum rum. Koblingerne mellem forskellige kvasi-momenta gør det imidlertid meget svært at opnå en direkte sammenhæng mellem målbare fysiske størrelser og statistikparameteren.

For nylig fandt Xibo Zhang og hans medarbejdere ud af, at for 1D og 2D kvante Bose gasser i det kvantekritiske regime, bliver koblingerne mellem kvasi-momenta ret lokale, og en simpel, ikke-gensidig FES opstår. De etablerede en simpel overensstemmelse mellem interaktionsstyrken og statistikparameteren. Baseret på teoretiske beregninger, numeriske kvante-Monte Carlo-simuleringer og eksperimentelle målinger bekræftede forskerne, at den kritiske entropi pr. partikel og andre termodynamiske størrelser bestemmes af de ikke-interagerende partikler, der adlyder FES.

Denne undersøgelse giver ikke kun et simpelt fysisk billede med teoretiske, numeriske og eksperimentelle beviser for fremkomsten af ​​FES i interagerende kvantesystemer, men giver også nye perspektiver og en ny metode til at forstå den kritiske adfærd af mere komplekse kvante-mangekropssystemer. , såsom kvantegasser med SU(N)-symmetrier osv.

Forskningen blev offentliggjort i National Science Review . + Udforsk yderligere

Kvantificering af virkningerne af tre-partikelkollisioner i kvantegasser