Fizicienii au sortat mult timp toate particulele elementare în două categorii ordonate: bosoni (purtători de forță, precum fotonii) și fermioni (constructori de materie, precum electronii, protonii și neutronii). Era un sistem ordonat, ca un dosar cu doar două foldere. Dar natura, se pare, este o adunătoare și a ascuns o a treia categorie în dimensiuni inferioare.

Încă din anii 1970, oamenii de știință au prezis existența anyonilor - particule care nu sunt nici bosoni, nici fermioni, ci ceva la mijloc. În 2020, cercetătorii au observat în sfârșit acești sfidători de reguli la marginea unor semiconductori super-răciți, puternic magnetizați, groși de un atom (bidimensionali). Acum, oamenii de știință de la Institutul de Știință și Tehnologie Okinawa (OIST) și de la Universitatea din Oklahoma au împins conceptul într-un teritoriu și mai ciudat: sisteme unidimensionale.

În două lucrări publicate în Physical Review A, echipa a identificat un sistem 1D care poate găzdui anyoni și a schițat comportamentul lor teoretic. Progresele recente în controlul particulelor individuale în sisteme atomice ultra-reci ar putea face aceste idei testabile în experimente reale de laborator - nu doar experimente mentale care implică table și sprâncene încruntate.

„Fiecare particulă din universul nostru pare să se încadreze strict în două categorii: bosonică sau fermionică. De ce nu există altele?” întreabă profesorul Thomas Busch de la Unitatea de Sisteme Cuantice de la OIST. „Cu aceste lucrări, am deschis ușa pentru îmbunătățirea înțelegerii noastre asupra proprietăților fundamentale ale lumii cuantice și este foarte interesant să vedem unde ne duc fizica teoretică și experimentală de aici.”

Distincția dintre bosoni și fermioni provine din ceea ce se întâmplă când două particule identice își schimbă locurile. În trei dimensiuni, experimentele arată doar două rezultate: fie sistemul rămâne același (bosoni), fie își schimbă semnul (fermioni). Nicio altă opțiune. Acest comportament se leagă de cel mai enervant principiu al fizicii cuantice: indistinguibilitatea. Spre deosebire de bilele de sticlă - pe care le poți vopsi în culori diferite pentru a le urmări - particulele cuantice identice, precum electronii, nu pot fi etichetate individual dacă toate proprietățile lor cuantice se potrivesc. Schimbarea lor produce o stare care este fizic indistinguibilă de cea originală.

Raúl Hidalgo-Sacoto, student doctorand în unitatea OIST, explică: „Deoarece acest schimb este echivalent cu a nu face nimic, statisticile matematice care guvernează evenimentul, cunoscute sub numele de factor de schimb, trebuie să respecte o regulă simplă: pătratul factorului de schimb trebuie să fie egal cu 1. Singurele două numere care satisfac această regulă sunt +1 și -1. De aceea, toate particulele trebuie să fie, respectiv, bosoni, pentru care factorul este 1, sau fermioni, pentru care factorul este -1.”

Aceste două familii se comportă foarte diferit. Bosonii se grupează natural și acționează colectiv - laserele, unde fotonii de aceeași lungime de undă se mișcă sincron, sunt un exemplu clasic, la fel ca și Condensatele Bose-Einstein. Fermionii rezistă să împartă aceeași stare, ceea ce este un motiv pentru care tabelul periodic are atât de multe elemente. (Mulțumim, fermionilor, pentru varietate.)

Deci, de ce dimensiunile inferioare pot produce ceva diferit? În sistemele cu dimensiuni inferioare, particulele au mai puține căi posibile atunci când își schimbă locurile. Traiectoriile lor devin împletite prin spațiu și timp și, spre deosebire de trei dimensiuni, acele căi nu pot fi pur și simplu descurcate ulterior. Ca rezultat, starea schimbată nu mai este echivalentă cu cea originală.

Hidalgo-Sacoto continuă: „În dimensiuni inferioare, acest schimb nu mai este topologic echivalent cu a nu face nimic. Pentru a satisface legea indistinguibilității, avem nevoie de factori de schimb pe un interval continuu pentru a ține cont de schimb, dependenți de exactele răsuciri și întorsături ale căilor.” Aceasta deschide ușa pentru anyoni, ai căror factori de schimb pot lua valori dincolo de +1 sau -1. Ei nu sunt nici pur bosoni, nici pur fermioni - sunt nonconformiști cuantici.

În studiile recent publicate, cercetătorii au demonstrat că diviziunea boson-fermion rămâne ruptă chiar și într-o singură dimensiune.