Fizycy od dawna sortowali wszystkie cząstki elementarne do dwóch schludnych koszy: bozony (nośniki sił, jak fotony) i fermiony (budulce materii, jak elektrony, protony i neutrony). To był zgrabny system, jak szafka na akta z tylko dwoma folderami. Ale natura, jak się okazuje, jest zbieraczem i ukrywa trzecią kategorię w niższych wymiarach.

Od lat 70. naukowcy przewidywali istnienie anyonów – cząstek, które nie są ani bozonami, ani fermionami, ale czymś pomiędzy. W 2020 roku badaczom udało się w końcu zaobserwować tych łamaczy zasad na krawędzi przechłodzonych, silnie namagnesowanych, jednoatomowych (dwuwymiarowych) półprzewodników. Teraz naukowcy z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) i University of Oklahoma przesunęli koncepcję na jeszcze dziwniejsze terytorium: układy jednowymiarowe.

W dwóch artykułach opublikowanych w Physical Review A zespół zidentyfikował układ 1D, który może gościć anyony, i opisał ich teoretyczne zachowanie. Ostatnie postępy w kontrolowaniu pojedynczych cząstek w ultrazimnych układach atomowych mogą sprawić, że te pomysły staną się testowalne w rzeczywistych eksperymentach laboratoryjnych – a nie tylko w eksperymentach myślowych z tablicami i zmarszczonymi czołami.

„Każda cząstka w naszym wszechświecie wydaje się ściśle pasować do dwóch kategorii: bozonowej lub fermionowej. Dlaczego nie ma innych?” – pyta profesor Thomas Busch z Quantum Systems Unit w OIST. „Dzięki tym pracom otworzyliśmy drzwi do lepszego zrozumienia podstawowych właściwości świata kwantowego i bardzo ekscytujące jest obserwowanie, dokąd zaprowadzą nas stąd fizyka teoretyczna i eksperymentalna”.

Różnica między bozonami a fermionami wynika z tego, co się dzieje, gdy dwie identyczne cząstki zamieniają się miejscami. W trzech wymiarach eksperymenty pokazują tylko dwa wyniki: albo układ pozostaje taki sam (bozony), albo zmienia znak (fermiony). Żadnych innych opcji. To zachowanie wiąże się z najbardziej irytującą zasadą fizyki kwantowej: nierozróżnialnością. W przeciwieństwie do kulek – które można pomalować na różne kolory, aby je śledzić – identyczne cząstki kwantowe, takie jak elektrony, nie mogą być indywidualnie oznakowane, jeśli wszystkie ich właściwości kwantowe są zgodne. Zamiana ich daje stan fizycznie nierozróżnialny od oryginału.

Raúl Hidalgo-Sacoto, doktorant w jednostce OIST, wyjaśnia: „Ponieważ ta zamiana jest równoważna z nierobieniem niczego, statystyka matematyczna rządząca tym zdarzeniem, znana jako czynnik wymiany, musi podlegać prostej zasadzie: kwadrat czynnika wymiany musi być równy 1. Jedynymi dwiema liczbami spełniającymi tę zasadę są +1 i -1. Dlatego wszystkie cząstki muszą być odpowiednio bozonami, dla których czynnik wynosi 1, lub fermionami, dla których czynnik wynosi -1”.

Te dwie rodziny zachowują się bardzo różnie. Bozony naturalnie grupują się razem i działają kolektywnie – lasery, gdzie fotony o tej samej długości fali poruszają się synchronicznie, są klasycznym przykładem, podobnie jak kondensaty Bosego-Einsteina. Fermiony opierają się dzieleniu tego samego stanu, co jest jednym z powodów, dla których układ okresowy ma tak wiele pierwiastków. (Dzięki, fermiony, za różnorodność.)

Dlaczego więc niższe wymiary mogą wyprodukować coś innego? W układach niższych wymiarów cząstki mają mniej możliwych ścieżek podczas zamiany miejsc. Ich trajektorie stają się splecione w przestrzeni i czasie, a w przeciwieństwie do trzech wymiarów, tych ścieżek nie można później po prostu rozplątać. W rezultacie stan po wymianie nie jest już równoważny oryginałowi.

Hidalgo-Sacoto kontynuuje: „W niższych wymiarach ta zamiana nie jest już topologicznie równoważna z nierobieniem niczego. Aby spełnić prawo nierozróżnialności, potrzebujemy czynników wymiany z ciągłego zakresu, aby uwzględnić wymianę, zależną od dokładnych skrętów i zakrętów ścieżek”. To otwiera drzwi anyonom, których czynniki wymiany mogą przyjmować wartości wykraczające poza +1 lub -1. Nie są one ani czystymi bozonami, ani czystymi fermionami – są kwantowymi nonkonformistami.

W nowo opublikowanych badaniach naukowcy wykazali, że podział bozon-fermion pozostaje złamany nawet w jednym wymiarze.