Fysiker har länge sorterat alla elementarpartiklar i två prydliga fack: bosoner (kraftbärare som fotoner) och fermioner (materiebyggare som elektroner, protoner och neutroner). Det var ett snyggt system, som ett arkivskåp med bara två mappar. Men naturen, visar det sig, är en hamstrare och har gömt en tredje kategori i lägre dimensioner.

Sedan 1970-talet har forskare förutspått existensen av anyoner – partiklar som varken är bosoner eller fermioner utan något däremellan. År 2020 observerade forskare äntligen dessa regelbrytare vid kanten av superkylda, starkt magnetiserade, enatomstjocka (tvådimensionella) halvledare. Nu har forskare från Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) och University of Oklahoma fört konceptet in i ännu konstigare territorium: endimensionella system.

I två artiklar publicerade i Physical Review A identifierade teamet ett 1D-system som kan hysa anyoner och beskrev deras teoretiska beteende. Nya framsteg inom kontroll av enskilda partiklar i ultrakalla atomsystem kan göra dessa idéer testbara i verkliga labbförsök – inte bara tankeexperiment med svarta tavlor och rynkade pannor.

”Varje partikel i vårt universum verkar passa strikt in i två kategorier: bosonisk eller fermionisk. Varför finns det inga andra?” frågar professor Thomas Busch vid Quantum Systems Unit på OIST. ”Med dessa arbeten har vi nu öppnat dörren för att förbättra vår förståelse av kvantvärldens grundläggande egenskaper, och det är mycket spännande att se vart teoretisk och experimentell fysik tar oss härifrån.”

Skillnaden mellan bosoner och fermioner kommer från vad som händer när två identiska partiklar byter plats. I tre dimensioner visar experiment bara två utfall: antingen förblir systemet oförändrat (bosoner) eller så byter det tecken (fermioner). Inga andra alternativ. Detta beteende hänger samman med kvantfysikens mest irriterande princip: oskiljbarhet. Till skillnad från kulor – som du kan måla i olika färger för att hålla reda på – kan identiska kvantpartiklar som elektroner inte märkas individuellt om alla deras kvantegenskaper matchar. Att byta plats på dem ger ett tillstånd som är fysiskt oskiljbart från originalet.

Raúl Hidalgo-Sacoto, doktorand vid OIST-enheten, förklarar: ”Eftersom detta byte är ekvivalent med att inte göra något, måste den matematiska statistik som styr händelsen, känd som bytesfaktorn, följa en enkel regel: kvadraten av bytesfaktorn måste vara lika med 1. De enda två tal som uppfyller denna regel är +1 och -1. Det är därför alla partiklar måste vara antingen bosoner, för vilka faktorn är 1, eller fermioner, för vilka faktorn är -1.”

Dessa två familjer beter sig mycket olika. Bosoner grupperar sig naturligt och agerar kollektivt – lasrar, där fotoner med samma våglängd rör sig i takt, är ett klassiskt exempel, liksom Bose-Einstein-kondensat. Fermioner motstår att dela samma tillstånd, vilket är en anledning till att periodiska systemet har så många grundämnen. (Tack, fermioner, för variationen.)

Så varför kan lägre dimensioner producera något annorlunda? I lägre dimensionella system har partiklar färre möjliga vägar när de byter plats. Deras banor flätas samman genom rum och tid, och till skillnad från i tre dimensioner kan dessa banor inte enkelt redas ut efteråt. Som ett resultat är det bytta tillståndet inte längre ekvivalent med det ursprungliga.

Hidalgo-Sacoto fortsätter: ”I lägre dimensioner är detta byte inte längre topologiskt ekvivalent med att inte göra något. För att uppfylla oskiljbarhetslagen behöver vi bytesfaktorer över ett kontinuerligt intervall för att ta hänsyn till bytet, beroende på banornas exakta vridningar och svängar.” Det öppnar dörren för anyoner, vars bytesfaktorer kan anta värden bortom bara +1 eller -1. De är varken rena bosoner eller rena fermioner – de är kvantnonkonformister.

I de nyligen publicerade studierna visade forskarna att boson-fermion-uppdelningen förblir bruten även i endimensionella system.