Физики традиционно делят все элементарные частицы в нашей трехмерной Вселенной на две группы: бозоны и фермионы. К бозонам обычно относят частицы, переносящие взаимодействие, такие как фотоны, а фермионы составляют материю, в том числе электроны, протоны и нейтроны.

Однако в системах с меньшей размерностью это четкое различие начинает стираться. С 1970-х годов ученые предсказывали существование третьей категории частиц, занимающих промежуточное положение между бозонами и фермионами, — анионов. Эти частицы были впервые экспериментально обнаружены в 2020 году в ультратонких сильно намагниченных полупроводниковых системах.

Опираясь на эту работу, исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Университета Оклахомы определили одномерную систему, в которой могут существовать анионы, и проанализировали их теоретические свойства.

Достижения в области управления отдельными частицами в ультрахолодных атомных системах позволили экспериментально проверить эти идеи. «Кажется, что все частицы в нашей Вселенной делятся строго на две категории: бозонные и фермионные. Почему нет других? — задается вопросом профессор Томас Буш из отдела квантовых систем в Оксфордском институте науки и технологий. — Благодаря этим работам мы получили возможность лучше понять фундаментальные свойства квантового мира, и очень интересно, куда нас заведут теоретические и экспериментальные исследования в этой области».

Разрушение бинарной классификации на бозоны и фермионы

Традиционная классификация основана на том, как ведут себя идентичные частицы при смене положения. В трехмерном пространстве эксперименты показывают только два возможных исхода: либо система остается неизменной, как в случае с бозонами, либо меняет знак, как в случае с фермионами.

Такое поведение обусловлено квантовым принципом неразличимости. В отличие от классических объектов, идентичные квантовые частицы невозможно промаркировать или отличить друг от друга. Когда две такие частицы меняются местами, система физически остается неизменной. Как объясняет Рауль Идальго-Сакото, аспирант отдела OIST, «поскольку этот обмен равносилен бездействию, математическая статистика, описывающая это событие, так называемый фактор обмена, должна подчиняться простому правилу: квадрат фактора обмена должен быть равен 1». Единственные два числа, удовлетворяющие этому правилу, — это +1 и -1. Поэтому все частицы должны быть либо бозонами, для которых коэффициент равен 1, либо фермионами, для которых коэффициент равен -1.

Это различие приводит к совершенно разным физическим явлениям. Бозоны, как правило, действуют коллективно, как, например, в лазерах или конденсатах Бозе — Эйнштейна, где частицы находятся в одном и том же состоянии. Фермионы, напротив, не могут находиться в одном и том же состоянии, и это свойство лежит в основе строения атомов и периодической таблицы химических элементов.

В пространствах меньшей размерности ситуация меняется. У частиц меньше возможностей перемещаться относительно друг друга, и обмен становится привязанным к их траекториям в пространстве и времени. Это означает, что система больше не может вернуться в исходное состояние после обмена частицами. Идальго-Сакото объясняет: «В пространствах меньшей размерности такой обмен уже не топологически эквивалентен бездействию. Чтобы соблюсти закон неразличимости, нам нужны коэффициенты обмена в непрерывном диапазоне, учитывающие обмен и зависящие от конкретных изгибов и поворотов траекторий».

Это позволяет создать новый класс частиц с обменными коэффициентами, которые не ограничиваются значениями +1 или -1. Такие частицы называются анионоподобными.

Рецепт регулируемых анионоподобных частиц

В своей недавней работе Идальго-Сакото и его коллеги продемонстрировали, что в одномерных системах этот расширенный диапазон поведения сохраняется и даже может быть настроен. В одномерном пространстве частицы не могут двигаться вокруг друг друга и вынуждены проходить сквозь друг друга, что меняет определение их обмена.

Исследователи показали, что коэффициент обмена в данном случае напрямую связан с силой взаимодействия между частицами на коротких расстояниях. Эта взаимосвязь позволяет ученым контролировать обменные процессы, открывая новые возможности для экспериментов.

«Мы не только выявили возможность существования одномерных анионов, но и показали, как можно отобразить их обменную статистику и, что особенно интересно, как можно наблюдать их природу через распределение их импульсных характеристик, — резюмирует профессор Буш. — Экспериментальные установки, необходимые для проведения таких наблюдений, уже существуют. Мы с нетерпением ждем новых открытий в этой области и того, что они могут рассказать нам о фундаментальной физике нашей Вселенной».