Ученые обнаружили, что класс частиц, известных как бозоны, может вести себя как противоположный класс частиц, называемых фермионами, когда они помещаются в линию.
Исследование, проведенное в Университете штата Пенсильвания и частично финансируемое Исследовательским бюро армии США, входящим в U.S. Лаборатория армейских исследований командования по развитию боевых возможностей обнаружила, что, когда внутренние взаимодействия между бозонами в одномерном газе очень сильны, их распределение по скоростям трансформируется в распределение газа невзаимодействующих фермионов, когда они расширяются в одном измерении. Исследование опубликовано в журнале Science.
«Работа атомных часов, квантовых компьютеров и квантовых систем зависит от правильного определения свойств выбранной системы», – сказал доктор. Пол Бейкер, руководитель программы, атомная и молекулярная физика в ARO. "Это исследование демонстрирует, что статистику системы можно изменить, правильно ограничив размеры системы.
Помимо углубления нашего понимания основополагающих принципов, это открытие может предоставить метод динамического переключения системы с бозонной на фермионную, чтобы наилучшим образом удовлетворить военные потребности."
Исследователи экспериментально продемонстрировали, что, когда бозоны расширяются в одном измерении – линии атомов позволяют удлиниться, они могут образовывать море Ферми.
«Все частицы в природе бывают одного из двух типов, в зависимости от их спина, квантового свойства, которому нет реального аналога в классической физике», – сказал Дэвид Вайс, заслуженный профессор физики Пенсильванского университета и один из руководителей исследовательской группы. "Бозоны, чьи спины являются целыми числами, могут иметь одно и то же квантовое состояние, в то время как фермионы, чьи спины являются полуцелыми числами, не могут. Когда частицы холодные или достаточно плотные, бозоны ведут себя совершенно иначе, чем фермионы. Бозоны образуют конденсаты Бозе-Эйнштейна, собираясь в одном квантовом состоянии. Фермионы, с другой стороны, заполняют доступные состояния одно за другим, образуя так называемое море Ферми."
Исследовательская группа создала массив ультрахолодных одномерных газов, состоящих из бозонных атомов (бозе-газов), используя оптическую решетку, которая использует лазерный свет для улавливания атомов. В световой ловушке система находится в равновесии, и сильно взаимодействующие бозе-газы имеют пространственное распределение, подобное фермионам, но по-прежнему имеют распределения бозонов по скоростям. Когда исследователи отключают часть улавливающего света, атомы расширяются в одном измерении. В ходе этого расширения распределение бозонов по скоростям плавно переходит в такое же, как у фермионов.
«Полностью понимая динамику одномерных газов, а затем постепенно делая газы менее интегрируемыми, мы надеемся выявить универсальные принципы в динамических квантовых системах», – сказал Вайс.
Динамические взаимодействующие квантовые системы – важная часть фундаментальной физики.
Они также становятся все более технологически актуальными, поскольку на них основаны многие существующие и предлагаемые квантовые устройства, включая квантовые симуляторы и квантовые компьютеры.
«Теперь у нас есть экспериментальный доступ к вещам, которые, если бы вы спросили любого теоретика, работающего в этой области десять лет назад, увидим ли мы это при нашей жизни??«они бы сказали« ни за что », – сказал Маркос Ригол, профессор физики в Пенсильванском университете и другой руководитель исследовательской группы.
Помимо ARO, U.S.
Национальный научный фонд финансировал это исследование.