Natuurkundigen hebben alle elementaire deeltjes lang in twee nette bakjes gesorteerd: bosonen (krachtdragers zoals fotonen) en fermionen (materiebouwers zoals elektronen, protonen en neutronen). Het was een net systeem, als een archiefkast met maar twee mappen. Maar de natuur, zo blijkt, is een verzamelaar en heeft een derde categorie verborgen in lagere dimensies.
Sinds de jaren 1970 voorspelden wetenschappers het bestaan van anyonen - deeltjes die noch boson noch fermion zijn, maar iets er tussenin. In 2020 observeerden onderzoekers eindelijk deze regelbrekers aan de rand van supergekoelde, sterk gemagnetiseerde, één-atoom-dikke (tweedimensionale) halfgeleiders. Nu hebben wetenschappers van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) en de Universiteit van Oklahoma het concept naar nog vreemder terrein gebracht: eendimensionale systemen.
In twee artikelen gepubliceerd in Physical Review A identificeerde het team een 1D-systeem dat anyonen kan herbergen en schetste hun theoretische gedrag. Recente vooruitgang in het beheersen van individuele deeltjes in ultrakoude atomaire systemen zou deze ideeën testbaar kunnen maken in echte laboratoriumexperimenten - niet alleen gedachte-experimenten met schoolborden en gefronste wenkbrauwen.
“Elk deeltje in ons universum lijkt strikt in twee categorieën te vallen: bosonisch of fermionisch. Waarom zijn er geen andere?” vraagt professor Thomas Busch van de Quantum Systems Unit bij OIST. “Met deze werken hebben we nu de deur geopend naar een beter begrip van de fundamentele eigenschappen van de kwantumwereld, en het is heel spannend om te zien waar theoretische en experimentele natuurkunde ons vanaf hier naartoe brengen.”
Het onderscheid tussen bosonen en fermionen komt van wat er gebeurt wanneer twee identieke deeltjes van plaats wisselen. In drie dimensies tonen experimenten slechts twee uitkomsten: of het systeem blijft hetzelfde (bosonen) of het klapt van teken (fermionen). Geen andere opties. Dit gedrag hangt samen met het meest gekmakende principe van de kwantumfysica: ononderscheidbaarheid. In tegenstelling tot knikkers - die je verschillende kleuren kunt geven om ze bij te houden - kunnen identieke kwantumdeeltjes zoals elektronen niet individueel worden gelabeld als al hun kwantumeigenschappen overeenkomen. Ze verwisselen produceert een toestand die fysiek niet te onderscheiden is van het origineel.
Raúl Hidalgo-Sacoto, een promovendus in de OIST-eenheid, legt uit: “Omdat deze uitwisseling gelijk staat aan niets doen, moet de wiskundige statistiek die de gebeurtenis beheerst, bekend als de uitwisselingsfactor, een eenvoudige regel volgen: het kwadraat van de uitwisselingsfactor moet gelijk zijn aan 1. De enige twee getallen die aan deze regel voldoen zijn +1 en -1. Daarom moeten alle deeltjes respectievelijk bosonen zijn, waarvoor de factor 1 is, of fermionen, waarvoor de factor -1 is.”
Deze twee families gedragen zich heel verschillend. Bosonen groeperen zich van nature en handelen collectief - lasers, waarbij fotonen van dezelfde golflengte synchroon bewegen, zijn een klassiek voorbeeld, net als Bose-Einstein-condensaten. Fermionen verzetten zich tegen het delen van dezelfde toestand, wat een van de redenen is dat het periodiek systeem zoveel elementen heeft. (Bedankt, fermionen, voor de variatie.)
Waarom kunnen lagere dimensies dan iets anders produceren? In lager-dimensionale systemen hebben deeltjes minder mogelijke paden wanneer ze van plaats wisselen. Hun trajecten worden door elkaar gevlochten in ruimte en tijd, en in tegenstelling tot in drie dimensies kunnen die paden daarna niet eenvoudig worden ontward. Als gevolg daarvan is de uitgewisselde toestand niet langer equivalent aan de originele.
Hidalgo-Sacoto vervolgt: “In lagere dimensies is deze uitwisseling niet langer topologisch equivalent aan niets doen. Om aan de wet van ononderscheidbaarheid te voldoen, hebben we uitwisselingsfactoren over een continu bereik nodig om de uitwisseling te verantwoorden, afhankelijk van de exacte kronkels en wendingen van de paden.” Dat opent de deur naar anyonen, waarvan de uitwisselingsfactoren waarden kunnen aannemen die verder gaan dan alleen +1 of -1. Ze zijn noch zuiver bosonisch noch zuiver fermionisch - ze zijn kwantumnon-conformisten.
In de nieuw gepubliceerde studies toonden de onderzoekers aan dat de boson-fermion kloof zelfs in één dimensie blijft bestaan.