Fizicienii au clasificat în mod tradițional toate particulele elementare din universul nostru tridimensional în două categorii: bosoni și fermioni. Bosonii includ în principal particule care transportă forțe, cum ar fi fotonii, în timp ce fermionii alcătuiesc materia obișnuită, inclusiv electronii, protonii și neutronii. Această diviziune simplă începe să se destrame în sistemele cu dimensiuni inferioare.
Încă din anii 1970, oamenii de știință au prezis existența unui al treilea tip de particulă, cunoscut sub numele de anion, care se situează undeva între un boson și un fermion. În 2020, cercetătorii au observat experimental aceste particule neobișnuite la limita semiconductoarelor super-răcite, puternic magnetizate, cu grosimea unui singur atom (adică bidimensionale).
Acum, oamenii de știință de la Institutul de Știință și Tehnologie Okinawa (OIST) și de la Universitatea din Oklahoma au împins ideea și mai departe. În două articole publicate în *Physical Review A*, echipa a identificat un sistem unidimensional capabil să susțină anioni și a investigat comportamentul teoretic al particulelor. Progresele recente în controlul particulelor individuale în interiorul sistemelor atomice ultra-reci ar putea face, de asemenea, aceste idei testabile în experimente reale de laborator.
"Fiecare particulă din universul nostru pare să se încadreze strict în două categorii: bosonică sau fermionică. De ce nu există altele?", întreabă profesorul Thomas Busch de la Unitatea de Sisteme Cuantice de la OIST. "Cu aceste lucrări, am deschis acum ușa spre îmbunătățirea înțelegerii noastre asupra proprietăților fundamentale ale lumii cuantice și este foarte interesant să vedem unde ne vor duce fizica teoretică și experimentală de aici."
### De ce Particulele Cuantice se Încadrează în Două Grupuri
Distingerea dintre bosoni și fermioni provine din ceea ce se întâmplă atunci când două particule identice își schimbă locurile. În trei dimensiuni, experimentele arată doar două rezultate. Fie sistemul rămâne neschimbat, ceea ce este comportamentul bosonilor, fie sistemul își schimbă semnul, ceea ce se întâmplă cu fermionii. Nu par să existe alte posibilități.
Acest comportament este legat de unul dintre cele mai importante principii ale fizicii cuantice: indistingibilitatea. În viața de zi cu zi, două obiecte identice pot fi încă deosebite. Dacă două bile sunt vopsite în culori diferite, de exemplu, poți urmări care s-a mișcat unde. Particulele cuantice nu funcționează în acest fel. Două particule identice, cum ar fi electronii, nu pot fi etichetate individual dacă toate proprietățile lor cuantice se potrivesc. Schimbarea lor produce o stare care este fizic indistinguibilă de cea inițială, ceea ce înseamnă că proprietățile măsurabile ale sistemului trebuie să rămână neschimbate.
Raúl Hidalgo-Sacoto, doctorand în unitatea OIST, explică: "Deoarece acest schimb este echivalent cu a nu face nimic, statisticile matematice care guvernează evenimentul, cunoscute sub numele de factor de schimb, trebuie să respecte o regulă simplă: pătratul factorului de schimb trebuie să fie egal cu 1. Singurele două numere care satisfac această regulă sunt +1 și -1. De aceea, toate particulele trebuie să fie, respectiv, bosoni, pentru care factorul este 1, sau fermioni, pentru care factorul este -1."
Aceste două familii de particule se comportă foarte diferit. Bosonii se grupează în mod natural și se comportă colectiv. Laserele sunt un exemplu, unde fotonii de aceeași lungime de undă (culoare) se mișcă sincron. Condensatele Bose-Einstein sunt un alt exemplu, cu atomi ultra-reci care ocupă aceeași stare cuantică. Fermionii se comportă în mod opus. Electronii, protonii și neutronii rezistă la împărțirea aceleiași stări. Această proprietate este unul dintre motivele pentru care tabelul periodic conține atât de multe elemente diferite.
### Cum Dimensiunile Inferioare Schimbă Regulile Cuantice
Dacă natura permite doar două tipuri de particule în trei dimensiuni, de ce dimensiunile inferioare pot produce ceva diferit? Răspunsul constă în modul în care particulele se mișcă unele în jurul altora. În sistemele cu dimensiuni inferioare, particulele au mai puține căi posibile disponibile. Când își schimbă locurile, traiectoriile lor sunt împletite împreună prin spațiu și timp. Spre deosebire de trei dimensiuni, aceste căi nu pot fi pur și simplu dezlegate ulterior. Ca urmare, starea schimbată nu mai este echivalentă cu cea originală.
Hidalgo-Sacoto continuă: "În dimensiuni inferioare, acest schimb nu mai este topologic echivalent cu a nu face nimic. Pentru a satisface legea indistingibilității, avem nevoie de factori de schimb dintr-un interval continuu pentru a ține cont de schimb, în funcție de răsucirile și întoarcerile exacte ale căilor." Asta deschide ușa către anioni, particule ai căror factori de schimb pot lua valori dincolo de doar +1 sau -1. Cu alte cuvinte, nu sunt nici pur bosoni, nici pur fermioni.
### Anioni Reglabili într-o Dimensiune
În studiile recent publicate, cercetătorii au demonstrat că diviziunea boson-fermion rămâne ruptă chiar și în sistemele unidimensionale. De asemenea, au descoperit ceva deosebit de interesant: factorul de schimb în sistemele 1D poate fi reglat direct.
Într-o dimensiune, particulele nu se pot mișca una în jurul alteia pentru a schimba locurile. În schimb, trebuie să treacă direct una prin alta. Potrivit cercetătorilor, acest lucru schimbă comportamentul de schimb într-un mod fundamental în comparație cu dimensiunile superioare. Studiile arată că factorul de schimb în aceste sisteme este legat de puterea interacțiunilor pe distanțe scurte ale particulelor. Asta înseamnă că oamenii de știință ar putea regla potențial statisticile de schimb experimental, creând oportunități de a explora o gamă largă de fenomene cuantice noi.
"Am identificat nu numai posibilitatea existenței anionilor unidimensionali, ci am arătat și modul în care statisticile lor de schimb pot fi cartografiate și, în mod emoționant, modul în care natura lor poate fi observată prin distribuția impulsului lor", rezumă prof. Busch. "Configurațiile experimentale necesare pentru a face aceste observații există deja. Suntem încântați să vedem ce descoperiri viitoare se vor face în acest domeniu și ce ne poate spune despre fizica fundamentală a universului nostru."