В революционен напредък в областта на квантовата физика, изследователи са направили първото по рода си наблюдение на енионно поведение в едномерен (1D) ултрастуден бозонен газ, разбивайки дългогодишните предположения за размерните ограничения на тези загадъчни частици.
Макар и със сходно звучене - енионът е нещо съвсем различно от аниона. Анионът (Anion) е отрицателно зареден йон, чийто отрицателен заряд се дължи на излишъка от електрони в сравнение с броя на протоните.
Публикувано наскоро в престижното списание Nature, едно ново изследване разкрива как въвеждането на мобилен примес в силно взаимодействащ бозонен квантов газ може да предизвика появата на странна частица, енион (anyon) клас квазичастици или възникващи явления, които може да се наблюдават в двуизмерни системи.
Тези частици показват енионна статистика, те се различават от познатите елементарни частици, бозони и фермиони, по това, че техните обменни статистики не са нито бозонни, нито фермионни, което води до уникално квантово-механично поведение.
Частиците в природата отдавна се класифицират в две категории въз основа на присъщата им квантова статистика: фермиони и бозони.
Фермионите, които включват познати частици, изграждащи материята като електрони, кварки и протони, се подчиняват на принципа на изключване на Паули, който гласи, че два еднакви фермиона не могат да заемат едно и също квантово състояние. Следствие от този принцип е, че вълновата функция, описваща два идентични фермиона, става антисиметрична, когато фермионите се разменят, което означава, че променя знака си, често представено чрез фазово изместване от π.
Това антисиметрично свойство управлява структурата на периодичната таблица и е в основата на много фундаментални явления, от електрическата проводимост до сложното поведение на атомната материя.
Бозоните, като фотоните и глуоните, за разлика от тях, проявяват симетрични вълнови функции с нулева фазова промяна при обмен, което им позволява да се кондензират в колективни квантови състояния, отговорни например за работата на лазерите и свръхфлуидността.
Тази двоична статистическа рамка обаче е интригуващо непълна в нискоразмерните квантови системи, където възникват екзотичните квазичастици ениони. Енионите интерполират непрекъснато между фермиони и бозони, придобивайки фракционни обменни фази навсякъде между 0 и π.
Вместо да съществуват като фундаментални частици, енионите се появяват като колективни възбуждания в топологично сложни квантови състояния, подобно на фононите, които действат като квазичастици, представляващи колективни вибрационни режими, а не като независими частици. От 80-те години на миналия век енионите са теоретично предположени и експериментално открити предимно в двуизмерни електронни системи при екстремни условия, като например фракционния квантов ефект на Хол.
Доказването на съществуването на енионни квазичастици в едномерни условия остава сериозно предизвикателство, поради присъщите ограничения на 1D топологията и естеството на квантовата статистика в нея.
Досега нито едно експериментално наблюдение не е потвърждавало появата на ениони в 1D ултрастудени атомни газове – платформа, която се поддава фина настройка и прави революция в квантовата симулация. Новото проучване, ръководено от експерименталната група на Ханс-Кристоф Негерл (Hanns-Christoph Nägerl) от Университета в Инсбрук, в сътрудничество с водещи теоретици от Университета Париж-Сакле и Свободния университет в Брюксел, преодолява тази празнина в знанията, демонстрирайки нов протокол за "енионизиране" на бозони в такава 1D среда.
Същността на тяхната методология включва инжектирането на прецизно контролиран подвижен примес – частица, различима, но бозонно съвместима – в ултрастуден газ от силно взаимодействащи бозони, ограничени в стегнат, ефективно едномерен оптичен капан. Чрез ускоряване на този примес и внимателно наблюдение на разпределението на импулса му във времето, екипът успява да извлече жизненоважни сигнатури на възникващи енионни статистики. Този подход ефективно създава локализирана квазичастица, чиято статистика на квантовия обмен непрекъснато интерполира между тази на бозоните и фермионите.
Резултатите им показват за първи път поддаваща се на фина настройка статистическа фаза, която може да се "набира" плавно от нула (бозонно поведение) до π (фермионно поведение), като всички междинни дробни фази съответстват на дробната статистика. Този непрекъснат контрол означава забележителен експериментален и теоретичен пробив, демонстрирайки, че квантовата статистика – традиционно разглеждана като фиксирано присъщо свойство – може да бъде динамично проектирана и манипулирана in situ (на място, където се случва) в рамките на квантова система от много частици. Както подчертава Судипта Дхар (Sudipta Dhar), водещ автор на статията, това развитие е фундаментален напредък в способността ни да оформяме екзотични квантови състояния, пригодени за бъдещи квантови технологии.
Основното теоретично моделиране, проведено от членове на екипа, точно улавя сложното взаимодействие между примеса и приемащия газ, отразявайки директно фракционната статистическа фаза. Техните изчислителни симулации са в тясно съответствие с експерименталните данни за разпределението на импулса, подсилвайки устойчивостта на механизма на енионизация. Важно е, че рамката също така отваря врати за изследване на екзотични квантови фази, които преплитат топологичен ред с едномерна физика на много тела, считана преди за недостъпна в такива ограничени геометрии.
От по-широка гледна точка, това изследване може да има дълбоки последици за квантовата информационна наука, най-вече в продължаващото търсене на топологични квантови изчислителни архитектури. Предполага се, че някои ениони притежават неабелови статистически данни за сплитане, които им придават присъща устойчивост на грешки, необходима за отказоустойчиви квантови изчисления. Докато наблюдаваните тук ениони се появяват в бозонен газ, демонстрираната способност за непрекъснато настройване на обменните статистически данни предоставя гъвкава платформа за изследване на нови операции за сплитане и манипулиране на квантови състояния в бъдещи експерименти.
Освен това, експерименталната простота и гъвкавост на платформата – базирана на добре установени техники за студени атоми – позволяват безпрецедентен контрол върху взаимодействията на частиците, ограничаващите геометрии и динамиката на примесите. Това поставя ултрастудените атомни газове начело на симулирането на явления на кондензирана материя, които преди това бяха ограничени до твърдотелни системи. Чрез използване на високо реконфигурируеми квантови газове, изследователите могат щателно да изследват многочастичните корелации, квантовата кохерентност и възникващите явления на най-фундаментално ниво.
Откритието е илюстрация на по-широка тенденция в съвременната физика: съвместната работа на експерименталната изобретателност и теоретичните прозрения, позволяващи реализирането на сложни квантови фази, които далеч надхвърлят учебникарските дефиниции. По-специално, едномерните квантови системи, някога смятани за твърде ограничаващи за екзотичната статистика на частиците, разкриват богати, непредвидени пътища за изследване и манипулиране на квантовата материя. Тази работа оспорва конвенционалните схващания относно размерността и квантовата статистика и подготвя почвата за нов клас квантови симулации и технологии.
Тъй като последиците се разпространяват в научната общност, изследването поедига и трудни въпроси за бъдещи изследвания.
В обобщение, това пионерско наблюдение на възникващи ениони в едномерен ултрастуден бозонен газ чрез инжектиране и манипулиране на мобилен примес представлява забележително постижение. То коренно обогатява разбирането ни за квантовата статистика, разкрива нови аспекти на нискоразмерната квантова физика и предлага обещаваща платформа за развитие на квантовите технологии чрез проектиране на екзотични квазичастици. С развитието на областта, способността за „набиране“ на произволна квантова статистика може да се превърне в крайъгълен камък в инструментариума на квантовите изследвания на материята.
Още по темата
Физика
Ново свръхпроводящо състояние може да проправи пътя на свръхпроводник при стайна температура
Космос
Гравитация от ентропията: Революционна теория свързва квантовата механика и теорията на относителността
Физика
Може да съществува "невъзможен" трети вид частица, показват нови математически изчисления
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Китай инсталира прекъсвачи в слънчеви панели, продавани на Запад
dapeev
Учени предлагат край на притеснителната сингулярност на черните дупки
Бешката
Трогателна среща в Москва на командирите на Союз и Аполо 40 години след скачването
dolivo
Нова храна за медоносните пчели, заместваща прашеца, дава надежда за оцеляването им