Физики долгое время сортировали все элементарные частицы по двум аккуратным коробкам: бозоны (переносчики сил, например фотоны) и фермионы (строители материи, такие как электроны, протоны и нейтроны). Это была опрятная система, как картотека с двумя папками. Но природа, как выяснилось, барахольщица и прячет третью категорию в низших измерениях.

Начиная с 1970-х годов учёные предсказывали существование анионов — частиц, которые не являются ни бозонами, ни фермионами, а чем-то средним. В 2020 году исследователи наконец наблюдали этих нарушителей правил на краю переохлаждённых, сильно намагниченных, толщиной в один атом (двумерных) полупроводников. Теперь учёные из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Университета Оклахомы продвинули концепцию на ещё более странную территорию: одномерные системы.

В двух статьях, опубликованных в Physical Review A, команда определила одномерную систему, способную содержать анионы, и описала их теоретическое поведение. Недавние достижения в управлении отдельными частицами в сверххолодных атомных системах могут сделать эти идеи проверяемыми в реальных лабораторных экспериментах — а не только в мысленных экспериментах с досками и нахмуренными лбами.

«Каждая частица в нашей вселенной, кажется, строго вписывается в две категории: бозонную или фермионную. Почему нет других?» — спрашивает профессор Томас Буш из Отдела квантовых систем OIST. «С этими работами мы открыли дверь к улучшению нашего понимания фундаментальных свойств квантового мира, и очень интересно увидеть, куда нас приведут теоретическая и экспериментальная физика».

Различие между бозонами и фермионами проистекает из того, что происходит, когда две идентичные частицы меняются местами. В трёх измерениях эксперименты показывают только два результата: либо система остаётся той же (бозоны), либо меняет знак (фермионы). Никаких других вариантов. Это поведение связано с самым сводящим с ума принципом квантовой физики: неразличимостью. В отличие от шариков, которые можно покрасить в разные цвета, чтобы отслеживать, идентичные квантовые частицы, такие как электроны, нельзя индивидуально пометить, если все их квантовые свойства совпадают. Обмен ими порождает состояние, физически неотличимое от исходного.

Рауль Идальго-Сакотто, аспирант в отделе OIST, объясняет: «Поскольку этот обмен эквивалентен бездействию, математическая статистика, управляющая событием, известная как фактор обмена, должна подчиняться простому правилу: квадрат фактора обмена должен быть равен 1. Единственные два числа, удовлетворяющие этому правилу, — это +1 и -1. Вот почему все частицы должны быть, соответственно, бозонами, для которых фактор равен 1, или фермионами, для которых фактор равен -1».

Эти два семейства ведут себя очень по-разному. Бозоны естественным образом группируются и действуют коллективно — лазеры, где фотоны одной длины волны движутся синхронно, являются классическим примером, как и конденсаты Бозе-Эйнштейна. Фермионы сопротивляются совместному использованию одного и того же состояния, что является одной из причин, почему в периодической таблице так много элементов. (Спасибо, фермионы, за разнообразие.)

Так почему же низшие измерения могут породить нечто иное? В низкоразмерных системах у частиц меньше возможных путей при обмене местами. Их траектории переплетаются в пространстве и времени, и, в отличие от трёх измерений, эти пути нельзя просто распутать впоследствии. В результате обменное состояние больше не эквивалентно исходному.

Идальго-Сакотто продолжает: «В низших измерениях этот обмен больше не является топологически эквивалентным бездействию. Чтобы удовлетворить закону неразличимости, нам нужны факторы обмена в непрерывном диапазоне, чтобы учесть обмен, зависящий от точных поворотов и изгибов путей». Это открывает дверь анионам, чьи факторы обмена могут принимать значения за пределами просто +1 или -1. Они не являются ни чистыми бозонами, ни чистыми фермионами — они квантовые нонконформисты.

В недавно опубликованных исследованиях исследователи продемонстрировали, что разрыв между бозонами и фермионами остаётся нарушенным даже в одном измерении.