Fizikçiler uzun süredir tüm temel parçacıkları iki düzgün kutuya ayırıyordu: bozonlar (fotonlar gibi kuvvet taşıyıcıları) ve fermiyonlar (elektronlar, protonlar ve nötronlar gibi madde yapıcıları). Sadece iki klasörlü bir dosya dolabı gibi düzenli bir sistemdi. Ama doğa, görünen o ki, bir istifçi ve üçüncü bir kategoriyi daha düşük boyutlarda saklıyordu.

1970'lerden beri bilim insanları, ne bozon ne de fermiyon olan, ikisi arasında bir şey olan anyonların varlığını tahmin ediyordu. 2020'de araştırmacılar nihayet bu kural tanımazları, süper soğutulmuş, güçlü manyetize edilmiş, bir atom kalınlığındaki (iki boyutlu) yarı iletkenlerin kenarında gözlemledi. Şimdi, Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) ve Oklahoma Üniversitesi'nden bilim insanları kavramı daha da tuhaf bir bölgeye taşıdı: tek boyutlu sistemler.

Physical Review A'da yayınlanan iki makalede ekip, anyonları barındırabilen bir 1B sistem belirledi ve teorik davranışlarını özetledi. Ultra soğuk atomik sistemlerdeki bireysel parçacıkları kontrol etmedeki son gelişmeler, bu fikirleri -sadece kara tahtalar ve çatık kaşlar içeren düşünce deneyleri değil- gerçek laboratuvar deneylerinde test edilebilir hale getirebilir.

OIST'teki Kuantum Sistemleri Birimi'nden Profesör Thomas Busch, "Evrenimizdeki her parçacık sıkı sıkıya iki kategoriye uyuyor gibi görünüyor: bozonik veya fermiyonik. Neden başkaları yok?" diye soruyor. "Bu çalışmalarla, kuantum dünyasının temel özelliklerini anlamamızı geliştirmenin kapısını araladık ve teorik ve deneysel fiziğin bizi buradan nereye götüreceğini görmek çok heyecan verici."

Bozonlar ve fermiyonlar arasındaki ayrım, iki özdeş parçacık yer değiştirdiğinde ne olduğundan gelir. Üç boyutta, deneyler yalnızca iki sonuç gösterir: ya sistem aynı kalır (bozonlar) ya da işaret değiştirir (fermiyonlar). Başka seçenek yok. Bu davranış, kuantum fiziğinin en çıldırtıcı ilkesine bağlanır: ayırt edilemezlik. Farklı renklere boyayarak takip edebileceğiniz bilyelerin aksine, elektronlar gibi özdeş kuantum parçacıkları, tüm kuantum özellikleri eşleşiyorsa bireysel olarak etiketlenemez. Onları değiştirmek, orijinalinden fiziksel olarak ayırt edilemeyen bir durum üretir.

OIST biriminde doktora öğrencisi Raúl Hidalgo-Sacoto şöyle açıklıyor: "Bu değişim hiçbir şey yapmamaya eşdeğer olduğu için, olayı yöneten matematiksel istatistikler, değişim faktörü olarak bilinir, basit bir kurala uymalıdır: değişim faktörünün karesi 1'e eşit olmalıdır. Bu kuralı sağlayan sadece iki sayı vardır: +1 ve -1. Bu nedenle tüm parçacıklar sırasıyla, faktörü 1 olan bozonlar veya faktörü -1 olan fermiyonlar olmalıdır."

Bu iki aile çok farklı davranır. Bozonlar doğal olarak bir araya gelir ve toplu hareket eder - aynı dalga boyundaki fotonların senkronize hareket ettiği lazerler ve Bose-Einstein Yoğuşmaları klasik örneklerdir. Fermiyonlar aynı durumu paylaşmaya direnir, bu da periyodik tablonun bu kadar çok elemente sahip olmasının nedenlerinden biridir. (Çeşitlilik için teşekkürler fermiyonlar.)

Peki neden daha düşük boyutlar farklı bir şey üretebiliyor? Daha düşük boyutlu sistemlerde, parçacıklar yer değiştirdiklerinde daha az olası yola sahiptir. Yörüngeleri uzay ve zaman içinde örülür ve üç boyutun aksine, bu yollar daha sonra basitçe çözülemez. Sonuç olarak, değiştirilen durum artık orijinaline eşdeğer değildir.

Hidalgo-Sacoto devam ediyor: "Daha düşük boyutlarda, bu değişim artık topolojik olarak hiçbir şey yapmamaya eşdeğer değildir. Ayırt edilemezlik yasasını sağlamak için, yolların tam dönüşlerine ve bükülmelerine bağlı olarak, değişimi hesaba katmak için sürekli bir aralıkta değişim faktörlerine ihtiyacımız var." Bu, değişim faktörleri +1 veya -1'in ötesinde değerler alabilen anyonların kapısını açar. Ne tamamen bozon ne de tamamen fermiyondurlar - onlar kuantum uyumsuzlarıdır.

Yeni yayınlanan çalışmalarda araştırmacılar, bozon-fermiyon ayrımının tek boyutta bile bozulduğunu gösterdi.