물리학자들은 오랫동안 모든 기본 입자를 두 가지 깔끔한 상자에 분류해 왔습니다: 보손(광자 같은 힘 전달자)과 페르미온(전자, 양성자, 중성자 같은 물질 구성자). 마치 서류함에 폴더가 두 개뿐인 깔끔한 체계였죠. 하지만 자연은 사실 수집광이었고, 더 낮은 차원에 세 번째 범주를 숨겨 왔습니다.
1970년대부터 과학자들은 애니온(anyon)의 존재를 예측했습니다. 보손도 페르미온도 아닌, 그 중간에 있는 입자입니다. 2020년, 연구자들은 마침내 초저온, 강자기장, 원자 한 개 두께(2차원) 반도체의 가장자리에서 이 규칙 파괴자들을 관찰했습니다. 이제 오키나와 과학기술대학원대학(OIST)과 오클라호마 대학의 과학자들이 이 개념을 더욱 이상한 영역인 1차원 체계로 밀어 넣었습니다.
《Physical Review A》에 발표된 두 편의 논문에서 연구팀은 애니온을 수용할 수 있는 1차원 체계를 식별하고 이론적 행동을 개괄했습니다. 초저온 원자 체계 내에서 개별 입자를 제어하는 최근의 발전 덕분에 이러한 아이디어는 칠판과 찡그린 이마만 있는 사고 실험이 아니라 실제 실험실에서 테스트 가능해질 수 있습니다.
OIST 양자 시스템 유닛의 토마스 부시 교수는 "우주에 있는 모든 입자는 보손 또는 페르미온이라는 두 범주에 엄격히 속하는 것처럼 보입니다. 왜 다른 것은 없을까요?"라고 말합니다. "이 연구를 통해 우리는 양자 세계의 기본 특성에 대한 이해를 향상시킬 수 있는 문을 열었으며, 이론 물리학과 실험 물리학이 여기서 어디로 나아갈지 매우 기대됩니다."
보손과 페르미온의 구분은 두 개의 동일한 입자가 자리를 바꿀 때 일어나는 현상에서 비롯됩니다. 3차원에서 실험은 두 가지 결과만 보여줍니다: 체계가 동일하게 유지되거나(보손) 부호가 바뀝니다(페르미온). 다른 선택지는 없습니다. 이 행동은 양자 물리학의 가장 짜증나는 원리인 구별 불가능성과 연결됩니다. 다른 색으로 칠해 추적할 수 있는 구슬과 달리, 전자와 같은 동일한 양자 입자는 모든 양자 특성이 일치하면 개별적으로 레이블을 붙일 수 없습니다. 자리를 바꾸면 원래와 물리적으로 구별할 수 없는 상태가 생성됩니다.
OIST 유닛의 박사 과정 학생인 라울 이달고-사코토는 "이 교환이 아무것도 하지 않는 것과 동등하기 때문에, 교환 인자(exchange factor)라고 알려진 이벤트를 지배하는 수학적 통계는 간단한 규칙을 따라야 합니다: 교환 인자의 제곱은 1과 같아야 합니다. 이 규칙을 만족하는 유일한 두 숫자는 +1과 -1입니다. 그래서 모든 입자는 각각 인자가 1인 보손이거나 인자가 -1인 페르미온이어야 합니다."라고 설명합니다.
이 두 가족은 매우 다르게 행동합니다. 보손은 자연스럽게 함께 모여 집단적으로 행동합니다. 같은 파장의 광자가 동기화되어 움직이는 레이저가 전형적인 예이며, 보스-아인슈타인 응축도 마찬가지입니다. 페르미온은 같은 상태를 공유하는 것을 저항하며, 이것이 주기율표에 많은 원소가 있는 이유 중 하나입니다. (다양성에 감사합니다, 페르미온.)
그렇다면 왜 낮은 차원에서 다른 것이 생성될 수 있을까요? 저차원 체계에서 입자는 자리를 바꿀 때 가능한 경로가 더 적습니다. 그들의 궤적은 시공간을 통해 함께 엮이며, 3차원과 달리 그 경로는 이후에 단순히 풀 수 없습니다. 결과적으로 교환된 상태는 더 이상 원래 상태와 동등하지 않습니다.
이달고-사코토는 계속합니다: "낮은 차원에서 이 교환은 더 이상 아무것도 하지 않는 것과 위상적으로 동등하지 않습니다. 구별 불가능성의 법칙을 만족시키기 위해, 우리는 경로의 정확한 꼬임과 회전에 의존하는 연속적인 범위의 교환 인자가 필요합니다." 이것이 애니온의 문을 열며, 그들의 교환 인자는 +1이나 -1을 넘어선 값을 취할 수 있습니다. 그들은 순수한 보손도 순수한 페르미온도 아닙니다. 그들은 양자 반체제 인사입니다.
새로 발표된 연구에서 연구자들은 보손-페르미온 구분이 1차원에서도 깨진 상태로 남아 있음을 입증했습니다.