Physiker bestätigen: Es gibt mehr als zwei Geschmacksrichtungen von Quantenteilchen – unangenehm für das alte System

Physiker haben lange alle Elementarteilchen in zwei saubere Schubladen sortiert: Bosonen (Kraftüberträger wie Photonen) und Fermionen (Materiebausteine wie Elektronen, Protonen und Neutronen). Es war ein ordentliches System, wie ein Aktenschrank mit nur zwei Ordnern. Aber die Natur, so stellt sich heraus, ist ein Messie und hat in niedrigeren Dimensionen eine dritte Kategorie versteckt.

Seit den 1970er Jahren sagten Wissenschaftler die Existenz von Anyonen voraus – Teilchen, die weder Bosonen noch Fermionen sind, sondern etwas dazwischen. Im Jahr 2020 beobachteten Forscher diese Regelbrecher schließlich am Rand von supergekühlten, stark magnetisierten, einatomdicken (zweidimensionalen) Halbleitern. Jetzt haben Wissenschaftler des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) und der University of Oklahoma das Konzept in noch seltsamere Gefilde vorangetrieben: eindimensionale Systeme.

In zwei in Physical Review A veröffentlichten Arbeiten identifizierte das Team ein 1D-System, das Anyonen beherbergen kann, und skizzierte deren theoretisches Verhalten. Jüngste Fortschritte bei der Kontrolle einzelner Teilchen in ultrakalten Atom-Systemen könnten diese Ideen in tatsächlichen Laborexperimenten testbar machen – nicht nur in Gedankenexperimenten mit Tafeln und gerunzelten Stirnen.

„Jedes Teilchen in unserem Universum scheint streng in zwei Kategorien zu fallen: bosonisch oder fermionisch. Warum gibt es keine anderen?“, fragt Professor Thomas Busch von der Quantum Systems Unit am OIST. „Mit diesen Arbeiten haben wir nun die Tür geöffnet, um unser Verständnis der grundlegenden Eigenschaften der Quantenwelt zu verbessern, und es ist sehr aufregend zu sehen, wohin uns die theoretische und experimentelle Physik von hier aus führen wird.“

Der Unterschied zwischen Bosonen und Fermionen ergibt sich daraus, was passiert, wenn zwei identische Teilchen ihre Plätze tauschen. In drei Dimensionen zeigen Experimente nur zwei Ergebnisse: Entweder bleibt das System gleich (Bosonen) oder es wechselt das Vorzeichen (Fermionen). Keine anderen Optionen. Dieses Verhalten hängt mit dem wahnsinnigsten Prinzip der Quantenphysik zusammen: der Ununterscheidbarkeit. Im Gegensatz zu Murmeln – die man in verschiedenen Farben bemalen kann, um sie auseinanderzuhalten – können identische Quantenteilchen wie Elektronen nicht einzeln etikettiert werden, wenn alle ihre Quanteneigenschaften übereinstimmen. Ihr Austausch erzeugt einen Zustand, der physikalisch nicht vom Original zu unterscheiden ist.

Raúl Hidalgo-Sacoto, ein Doktorand in der OIST-Einheit, erklärt: „Weil dieser Austausch gleichbedeutend damit ist, nichts zu tun, muss die mathematische Statistik, die das Ereignis regiert, bekannt als Austauschfaktor, eine einfache Regel befolgen: Das Quadrat des Austauschfaktors muss gleich 1 sein. Die einzigen beiden Zahlen, die diese Regel erfüllen, sind +1 und -1. Deshalb müssen alle Teilchen entweder Bosonen sein, für die der Faktor 1 ist, oder Fermionen, für die der Faktor -1 ist.“

Diese beiden Familien verhalten sich sehr unterschiedlich. Bosonen gruppieren sich auf natürliche Weise und handeln kollektiv – Laser, bei denen Photonen derselben Wellenlänge synchron schwingen, sind ein klassisches Beispiel, ebenso wie Bose-Einstein-Kondensate. Fermionen wehren sich dagegen, denselben Zustand zu teilen, was einer der Gründe ist, warum das Periodensystem so viele Elemente hat. (Danke, Fermionen, für die Abwechslung.)

Warum können niedrigere Dimensionen also etwas anderes hervorbringen? In niedrigdimensionalen Systemen haben Teilchen weniger mögliche Pfade, wenn sie ihre Plätze tauschen. Ihre Trajektorien werden durch Raum und Zeit miteinander verflochten, und anders als in drei Dimensionen können diese Pfade danach nicht einfach entwirrt werden. Infolgedessen ist der ausgetauschte Zustand nicht mehr äquivalent zum ursprünglichen.

Hidalgo-Sacoto fährt fort: „In niedrigeren Dimensionen ist dieser Austausch topologisch nicht mehr gleichbedeutend damit, nichts zu tun. Um dem Gesetz der Ununterscheidbarkeit zu genügen, benötigen wir Austauschfaktoren über einen kontinuierlichen Bereich, um den Austausch zu berücksichtigen, abhängig von den genauen Windungen und Wendungen der Pfade.“ Das öffnet die Tür für Anyonen, deren Austauschfaktoren Werte jenseits von +1 oder -1 annehmen können. Sie sind weder reine Bosonen noch reine Fermionen – sie sind quantenphysikalische Nonkonformisten.

In den neu veröffentlichten Studien zeigten die Forscher, dass die Boson-Fermion-Trennung selbst in einer Dimension gebrochen bleibt.