Физики традиционно делят все элементарные частицы трёхмерного мира на два класса: бозоны и фермионы. Бозоны в основном переносят силы, как фотоны, а фермионы составляют обычное вещество — электроны, протоны и нейтроны. Однако это простое деление перестаёт работать в системах с пониженной размерностью.
Ещё в 1970-х учёные предсказали существование третьего типа частиц — анионов, занимающих промежуточное положение между бозонами и фермионами. В отличие от привычных частиц, обменный фактор которых — это комплексное число, на которое умножается волновая функция системы при перестановке — строго равен +1 для бозонов (симметричная функция) и -1 для фермионов (антисимметричная), анионы обладают произвольной фазой ( e^{i\theta} ), где θ может принимать любое значение от 0 до π. Эта непрерывность возникает из-за топологии двумерного пространства: при обмене траектории частиц не могут пройти друг через друга без пересечения, что допускает любые «плетения» с накоплением дробной фазы.
В 2020 году исследователи экспериментально зафиксировали анионы на границе сверхохлаждённого и сильно намагниченного полупроводника толщиной в один атом. Теперь же команда из Окинавского института науки и технологий и Университета Оклахомы пошла дальше, показав, что одномерные системы также способны поддерживать эти частицы. Строго говоря, анионы существуют в двумерных системах, включая дробный квантовый эффект Холла в полупроводниковых гетероструктурах, топологические изоляторы и сверхпроводники. Однако одномерные системы — такие как квантовые провода или кольца — могут проявлять анионную статистику в особых условиях, например, при сильных корреляциях и спиновой поляризации, где они возникают как эффективные квазичастицы.
В двух статьях, опубликованных в Physical Review A, учёные изучили теоретическое поведение этих частиц в одном измерении. Новые достижения в контроле над отдельными частицами в ультрахолодных атомных системах позволяют проверить эти идеи в реальной лаборатории. «Каждая частица во Вселенной, похоже, строго делится на бозоны и фермионы. Почему не существует других?» — задаётся вопросом профессор Томас Буш из OIST.
Различие между бозонами и фермионами проявляется при обмене двух одинаковых частиц. В трёхмерном пространстве возможны лишь два исхода: система либо не меняется (бозоны), либо меняет знак (фермионы). Это связано с фундаментальным принципом квантовой физики — неразличимостью. Если две частицы, например электроны, имеют одинаковые квантовые свойства, их подмена даёт состояние, физически неотличимое от исходного.
В системах пониженной размерности траектории частиц при обмене переплетаются в пространстве-времени, и обменное состояние больше не эквивалентно исходному. «Это открывает двери для анионов, чей обменный фактор может принимать непрерывный ряд значений, а не только +1 или −1», — объясняют авторы. Более того, в одномерных системах этот фактор можно напрямую настраивать, так как частицы вынуждены проходить сквозь друг друга. Исследование связывает обменную статистику с силой короткодействующих взаимодействий. Существующие экспериментальные установки уже готовы проверить эти предсказания, что особенно важно для квантовых технологий. В одномерных системах, например в квантовых проводах или цепочках атомов, анионы, называемые «пликтионами», обладают неабелевой статистикой, что открывает путь к топологическим квантовым вычислениям: квантовая информация кодируется в «переплетениях» частиц, что делает такие вычисления устойчивыми к локальным ошибкам, так как данные хранятся в глобальной топологии состояний. Кроме того, анионы могут использоваться для квантовой передачи данных и симуляции сложных квантовых систем с устойчивостью к декогеренции.
Источник: Physicists discover quantum particles that break the rules of reality