Per lungo tempo i fisici hanno classificato tutte le particelle elementari in due ordinate categorie: bosoni (portatori di forza come i fotoni) e fermioni (costruttori di materia come elettroni, protoni e neutroni). Era un sistema pulito, come un armadio con solo due cartelle. Ma la natura, a quanto pare, è un accumulatore seriale, e ha nascosto una terza categoria in dimensioni inferiori.
Fin dagli anni '70, gli scienziati avevano predetto l'esistenza degli anyoni - particelle che non sono né bosoni né fermioni, ma qualcosa di intermedio. Nel 2020, i ricercatori hanno finalmente osservato questi trasgressori ai bordi di semiconduttori superraffreddati, fortemente magnetizzati, spessi un atomo (bidimensionali). Ora, scienziati dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) e dell'Università dell'Oklahoma hanno spinto il concetto in un territorio ancora più strano: sistemi unidimensionali.
In due articoli pubblicati su Physical Review A, il team ha identificato un sistema 1D in grado di ospitare anyoni e ha delineato il loro comportamento teorico. I recenti progressi nel controllo di singole particelle all'interno di sistemi atomici ultrafreddi potrebbero rendere queste idee verificabili in veri esperimenti di laboratorio - non solo esperimenti mentali con lavagne e sopracciglia aggrottate.
“Ogni particella nel nostro universo sembra rientrare rigorosamente in due categorie: bosonica o fermionica. Perché non ce ne sono altre?” chiede il Professor Thomas Busch della Quantum Systems Unit dell'OIST. “Con questi lavori, abbiamo ora aperto la porta per migliorare la nostra comprensione delle proprietà fondamentali del mondo quantistico, ed è molto emozionante vedere dove la fisica teorica e sperimentale ci porterà da qui.”
La distinzione tra bosoni e fermioni deriva da ciò che accade quando due particelle identiche si scambiano di posto. In tre dimensioni, gli esperimenti mostrano solo due risultati: o il sistema rimane lo stesso (bosoni) o cambia segno (fermioni). Nessun'altra opzione. Questo comportamento è legato al principio più frustrante della fisica quantistica: l'indistinguibilità. A differenza delle biglie - che puoi dipingere di colori diversi per tenerne traccia - le particelle quantiche identiche come gli elettroni non possono essere etichettate individualmente se tutte le loro proprietà quantistiche corrispondono. Scambiarle produce uno stato fisicamente indistinguibile dall'originale.
Raúl Hidalgo-Sacoto, uno studente di dottorato nell'unità OIST, spiega: “Poiché questo scambio equivale a non fare nulla, la statistica matematica che governa l'evento, nota come fattore di scambio, deve obbedire a una semplice regola: il quadrato del fattore di scambio deve essere uguale a 1. Gli unici due numeri che soddisfano questa regola sono +1 e -1. Ecco perché tutte le particelle devono essere, rispettivamente, bosoni, per cui il fattore è 1, o fermioni, per cui il fattore è -1.”
Queste due famiglie si comportano in modo molto diverso. I bosoni tendono a raggrupparsi e ad agire collettivamente - i laser, dove i fotoni della stessa lunghezza d'onda si muovono in sincronia, sono un classico esempio, così come i condensati di Bose-Einstein. I fermioni resistono a condividere lo stesso stato, che è uno dei motivi per cui la tavola periodica ha così tanti elementi. (Grazie, fermioni, per la varietà.)
Allora perché dimensioni inferiori possono produrre qualcosa di diverso? Nei sistemi a dimensione inferiore, le particelle hanno meno percorsi possibili quando si scambiano di posto. Le loro traiettorie diventano intrecciate attraverso spazio e tempo, e a differenza che in tre dimensioni, quei percorsi non possono essere semplicemente districati in seguito. Di conseguenza, lo stato scambiato non è più equivalente a quello originale.
Hidalgo-Sacoto continua: “In dimensioni inferiori, questo scambio non è più topologicamente equivalente a non fare nulla. Per soddisfare la legge di indistinguibilità, abbiamo bisogno di fattori di scambio su un intervallo continuo per tenere conto dello scambio, dipendenti dagli esatti giri e svolte dei percorsi.” Questo apre la porta agli anyoni, i cui fattori di scambio possono assumere valori oltre +1 o -1. Non sono né puramente bosoni né puramente fermioni - sono anticonformisti quantistici.
Nei nuovi studi pubblicati, i ricercatori hanno dimostrato che la divisione bosone-fermione rimane infranta anche in una dimensione.