Квантовий шок: фізики вперше перетворили бозони на екзотичні частинки, це змінить технології

Дослідження опубліковано в журналі Nature, пише Interesting Engineering.

Фізики розробили новий метод створення екзотичних квазічастинок, відомих як аніони в ультрахолодному середовищі. У рамках дослідження фізики ввели рухому домішку в одновимірний газ із сильно взаємодіючих бозонів, охолоджених майже до абсолютного нуля (мінус 273 градуси Цельсія).

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

У міру того, як домішка переміщалася через систему, вона обурювала навколишній газ, створюючи нову квазічастинку з дробовою статистикою, одновимірний аніон, який дотепер спостерігали тільки у двовимірних системах.

Ферміони та бозони: що це

• Усі елементарні частинки ділять на ферміони або бозони. Їхня відмінність ґрунтується на їхньому спіні (внутрішньому кутовому моменті) і тому, як вони поводяться колективно. Ферміонами є електрони і кварки, з яких складаються протони і нейтрони в ядрі атома. Ці частинки створюють структуру матерії. Бозонами є фотони (частинки світла) і глюони, а також різні версії бозонів. Ці частинки є переносниками трьох із чотирьох головних сил природи: електромагнітної, сильної та слабкої взаємодії. Четвертою силою є гравітація.
• Ферміони підкоряються принципу виключення Паулі. Це означає, що два ідентичні ферміони не можуть займати один і той самий квантовий стан одночасно.
• Бозони не підкоряються принципу виключення Паулі. Будь-яка кількість ідентичних бозонів може перебувати в одному й тому самому квантовому стані одночасно.

Фізики вперше перетворили бозони на одновимірні аніони

Одна з фундаментальних відмінностей між ферміонами і бозонами полягає в тому, що відбувається, коли дві ідентичні частинки міняються місцями, коли хвильова функція ферміонів набуває знака мінус, фазового зсуву числа Пі, тоді як бозони залишаються незмінними.

В одновимірних і двовимірних системах квазічастинки, відомі як аніони, демонструють фазові зсуви між нулем і числом Пі, що лежать між феріонами та бозонами. На відміну від окремих частинок, вони не існують незалежно, а виникають як збудження у квантових станах матерії, подібно до фононів, що виникають під час коливань твердих тіл.

Досі така екзотична поведінка була виявлена лише у двовимірних середовищах, але вчені вперше виявили, що така поведінка може також виникнути в одновимірному ультрахолодному бозонному газі. Дослідження показало, що можна налаштовувати статистичну фазу, що дає змогу плавно переходити від бозонної до ферміонної поведінки.

Нові технології

За словами фізиків, результаті дослідження відкривають нові можливості для досягнення точного контролю екзотичних квантових станів. Вчені вважають, що це відкриття може мати значні наслідки для квантових обчислень, особливо в топологічних квантових обчисленнях. Ця область спрямована на використання унікальних властивостей аніонів для виконання стійких до помилок обчислень.

Також фізики кажуть, що це відкриття знаменує собою поворотний крок у дослідженні квантової матерії, проливаючи нове світло на поведінку екзотичних частинок, яка може сформувати майбутнє квантових технологій.

Як уже писав Фокус, нова теорія фізиків припускає, що квантова гравітація все ж існує і можна створити опис Всесвіту, який би враховував усі чотири головні сили природи разом.

Також Фокус писав про те, що Всесвіт постійно збільшується не так, як ми думали. Багато років астрономи намагалися вирішити одну велику проблему. Залежно від того, як проводяться вимірювання швидкості розширення Всесвіту, виходять різні результати. Якщо невідповідність існує, то стандартна космологічна модель невірна. Але вчені отримали більш точні дані і вважають, що, можливо, ніякого протиріччя немає.