Les physiciens ont longtemps classé toutes les particules élémentaires dans deux cases bien rangées : les bosons (porteurs de force comme les photons) et les fermions (constructeurs de matière comme les électrons, protons et neutrons). C'était un système soigné, comme un classeur avec seulement deux dossiers. Mais la nature, il s'avère, est une accumulatrice, et elle cachait une troisième catégorie dans les dimensions inférieures.

Depuis les années 1970, les scientifiques prédisaient l'existence des anyons - des particules qui ne sont ni des bosons ni des fermions mais quelque chose entre les deux. En 2020, des chercheurs ont enfin observé ces briseurs de règles au bord de semi-conducteurs super-refroidis, fortement magnétisés, d'une épaisseur d'un atome (bidimensionnels). Maintenant, des scientifiques de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) et de l'Université d'Oklahoma ont poussé le concept dans un territoire encore plus étrange : les systèmes unidimensionnels.

Dans deux articles publiés dans Physical Review A, l'équipe a identifié un système 1D pouvant accueillir des anyons et a décrit leur comportement théorique. Les récentes avancées dans le contrôle de particules individuelles au sein de systèmes atomiques ultra-froids pourraient rendre ces idées testables dans de véritables expériences en laboratoire - pas seulement des expériences de pensée impliquant des tableaux noirs et des sourcils froncés.

« Chaque particule dans notre univers semble s'inscrire strictement dans deux catégories : bosonique ou fermionique. Pourquoi n'y en a-t-il pas d'autres ? » demande le professeur Thomas Busch de l'Unité des systèmes quantiques à l'OIST. « Avec ces travaux, nous avons maintenant ouvert la porte à une meilleure compréhension des propriétés fondamentales du monde quantique, et il est très excitant de voir où la physique théorique et expérimentale nous mènera à partir de là. »

La distinction entre bosons et fermions vient de ce qui se passe lorsque deux particules identiques échangent leurs places. En trois dimensions, les expériences montrent seulement deux résultats : soit le système reste identique (bosons), soit il change de signe (fermions). Pas d'autres options. Ce comportement est lié au principe le plus exaspérant de la physique quantique : l'indiscernabilité. Contrairement aux billes - que l'on peut peindre de différentes couleurs pour les suivre - les particules quantiques identiques comme les électrons ne peuvent pas être étiquetées individuellement si toutes leurs propriétés quantiques correspondent. Les échanger produit un état physiquement indiscernable de l'original.

Raúl Hidalgo-Sacoto, un doctorant de l'unité OIST, explique : « Parce que cet échange équivaut à ne rien faire, les statistiques mathématiques régissant l'événement, connues sous le nom de facteur d'échange, doivent obéir à une règle simple : le carré du facteur d'échange doit être égal à 1. Les seuls deux nombres qui satisfont cette règle sont +1 et -1. C'est pourquoi toutes les particules doivent être, respectivement, des bosons, pour lesquels le facteur est 1, ou des fermions, pour lesquels le facteur est -1. »

Ces deux familles se comportent très différemment. Les bosons se regroupent naturellement et agissent collectivement - les lasers, où des photons de même longueur d'onde se déplacent en synchronisation, en sont un exemple classique, tout comme les condensats de Bose-Einstein. Les fermions résistent à partager le même état, ce qui est une des raisons pour lesquelles le tableau périodique a tant d'éléments. (Merci, fermions, pour la variété.)

Alors pourquoi les dimensions inférieures peuvent-elles produire quelque chose de différent ? Dans les systèmes de dimension inférieure, les particules ont moins de chemins possibles lorsqu'elles échangent leurs places. Leurs trajectoires deviennent tressées ensemble à travers l'espace et le temps, et contrairement à la trois dimensions, ces chemins ne peuvent pas simplement être démêlés après coup. En conséquence, l'état échangé n'est plus équivalent à l'état original.

Hidalgo-Sacoto poursuit : « Dans les dimensions inférieures, cet échange n'est plus topologiquement équivalent à ne rien faire. Pour satisfaire la loi d'indiscernabilité, nous avons besoin de facteurs d'échange sur une plage continue pour tenir compte de l'échange, dépendant des torsions et virages exacts des chemins. » Cela ouvre la porte aux anyons, dont les facteurs d'échange peuvent prendre des valeurs au-delà de +1 ou -1. Ils ne sont ni purement bosons ni purement fermions - ce sont des non-conformistes quantiques.

Dans les études nouvellement publiées, les chercheurs ont démontré que la division boson-fermion reste brisée même en une dimension.