Bochtige honkbalvelden hebben verrassende dingen gemeen met kwantumdeeltjes die zijn beschreven in een nieuw natuurkundig onderzoek. hoewel de laatste veel vreemder vliegen.

In feite, ultrakoude gepaarde deeltjes genaamd fermionen moeten zich nog vreemder gedragen dan fysici eerder dachten, volgens theoretische natuurkundigen van het Georgia Institute of Technology, die hun vluchtpatronen wiskundig bestudeerden. Nu al, vliegende kwantumdeeltjes stonden bekend om hun gekheid.

Om te begrijpen waarom, begin met overeenkomsten met een honkbal en voeg vervolgens significante verschillen toe.

Een werper geeft spin, momentum, en energie naar een honkbal bij het gooien van een curveball, een verandering, of een schuifregelaar. De grappige vluchten van Fermions zijn eveneens uitgehouwen door spins, moment, en energieën, maar ook door krachtige kwantumexcentriciteiten zoals verstrengeling, die Albert Einstein ooit "spookachtige actie op afstand" tussen kwantumdeeltjes noemde.

In de nieuwe studie de onderzoekers voorspelden zelfs dat de deeltjes zich kunnen gedragen als verschillende kwantumballen, bosonen genaamd, om de manier na te bootsen waarop fotonen, of lichtdeeltjes, vlieg. Een vereenvoudigde uitleg van deze ultrakoude gepaarde deeltjes en hun vreemde vluchten staat hieronder.

Modellering van lichte materie

Al die invloeden zorgen er samen voor dat fermions een trajectrepertoire hebben dat veel vreemder is dan dat van een meester-honkbalwerper, en de nieuwe studie brengt het in kaart en opent nieuwe manieren om het experimenteel te observeren. Het Georgia Tech-team nam de ongebruikelijke benadering om kwantumoptische - of lichtachtige - ideeën toe te voegen aan hun voorspellende berekeningen van deze deeltjes materie en kwam tot wenkbrauwverhogende, inzichtelijke resultaten.

"Het deeltjesgedrag dat we voorspelden is gewoon schizofreen, " zei Uzi Landman, Regents' and Institute Professor en FE Callaway bijzonder leerstoel in Georgia Tech's School of Physics.

Wiskundige en theoretische details zijn te vinden in de studie in het tijdschrift Fysieke beoordeling A , welke Landman, eerste auteur Benedikt Brandt, die een afgestudeerde onderzoeksassistent is, en senior wetenschapper Constantine Yannouleas gepubliceerd op 4 mei, 2018. Hun onderzoek werd gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research.

Vliegende fermionen uitgelegd

Het traceren van kwantumcurveballs is van nature contra-intuïtief met concepten als fermionen, bosonen, draait, spookachtige verstrikking, en deeltje-golf dualiteit. Dus, laten we stap voor stap gaan om ze en de inzichten van het onderzoek te begrijpen.

Het balspel draait om fermionparen. Fermionen kunnen subatomaire deeltjes of hele atomen zijn. In dit geval, de natuurkundigen gemodelleerd met behulp van atomen.

De term fermion verwijst naar kwantumstatistische eigenschappen die het deeltje heeft in tegenstelling tot de eigenschappen van zijn tegenhangerdeeltje, een boson, in het bijzonder de spin van het deeltje, die half geheel getal wordt genoemd voor fermionen en volledig geheel getal voor bosonen. (Deze spins zijn niet precies zoals die op een bal. Voor meer informatie, zie:Fermionen en bosonen voor Dummies.)

"Fotonen en Higgs-bosonen zijn voorbeelden van bosonen, " zei Landman. "Bosonen zijn kuddedieren:twee of meer bosonen kunnen exact dezelfde ruimte delen. Hierdoor kunnen veel van hen op dezelfde kleine plek op elkaar worden geplaatst."

"Fermionen, anderzijds, zijn afstandelijk. Ze claimen hun eigen ruimte, en deel het niet met andere deeltjes. Fermionen kunnen op elkaar worden gestapeld, maar nemen niet dezelfde ruimte in beslag."

elektronen, protonen, neutronen, en sommige atomen zijn veelvoorkomende voorbeelden van fermionen.

Honkballen met laserpincet

De theoretische studie voorziet in twee fermionische atomen die voorzichtig naast elkaar worden gehouden door twee "pincetten" gemaakt van elkaar kruisende laserstralen, zoals feitelijk wordt gedaan in toepasselijke natuurkunde-experimenten. In de theoretische opzet van het onderzoek, lasers en speciale magnetische velden zouden ook worden gebruikt om de fermionen tot stilstand te brengen, waardoor ze "ultrakoud" zijn bij 0,000000001 graden Kelvin, of -273,15 graden Celsius (-459,67 graden Fahrenheit).

Dat is een streepje boven het absolute nulpunt, de laagst mogelijke temperatuur in het heelal, en deeltjes die koude vreemde dingen doen.

"De beweging van een deeltje is meestal hectisch, maar de koeling vertraagt ​​het bijna tot stilstand, " zei Landman, die ook directeur is van het Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "En deze deeltjes hebben ook golfeigenschappen, en bij die temperatuur de golflengte groeit enorm lang."

"De golven worden microns groot. Dat zou zijn als een kiezelsteen die een derde van de grootte van dit land wordt. Als dat gebeurt, het atoom wordt daadwerkelijk zichtbaar onder een optische microscoop."

De opgeblazen grootte maakt het voor onderzoekers gemakkelijker om de startlocaties van de twee deeltjes te kennen. Als ze het laserpincet uitzetten, de fermionen vliegen weg. De golfeigenschappen van de deeltjes hebben ook veel te maken met hun vreemde vluchten.

"Een deeltje in beweging zal onder bepaalde omstandigheden als een projectiel werken. Maar in andere, het zal zich gedragen als een golf, "Zei Landman. "We noemen het de dualiteit van de kwantumwereld."

Samen of apart

"Als je twee detectoren op verschillende posities plaatst, maar op dezelfde afstand van het deeltjespaar, hoe vaak de twee in dezelfde detector vliegen of hoe vaak ze in afzonderlijke detectoren vliegen zegt veel over die deeltjes, ' zei Landman. 'En dat is waar onze rare bevindingen binnenkomen.'

Van fermionen wordt verwacht dat ze anders vliegen dan bosonen, maar de studie van de theoretische fysici over fermionen herziet dit idee. Afhankelijk van de mate van kwantumverstrengeling tussen de twee fermionen voordat ze worden vrijgegeven en afhankelijk van hun energieniveau, ze kunnen zich gedragen als fermionen of zich gedragen als bosonen.

"Dit voegt een nieuwe gekheid toe aan de reeds gevestigde schizofrene dualiteit van deeltjesgolven, ' zei Landman.

"Een paar fotonen (die bosonen zijn) vliegen naar dezelfde plaats. Ze blijven als een paar, " zei Landman. "Het zijn sociale dieren, en je vindt ze beide in de ene detector of beide in de andere. We noemen dit fenomeen 'bundeling'."

Vreemde vliegroutes

Van fermionen wordt vaak verwacht dat ze het tegenovergestelde doen, anti-bundeling genoemd, maar volgens de studie hoe ze vliegen hangt af van of ze al dan niet spookachtige interactie hebben en, als, of de interactie aantrekkelijk of afstotelijk is.

"Als ze interactie hebben, en afhankelijk van het startenergieniveau, we voorspellen dat ze vreemde dingen kunnen doen als ze vliegen, ' zei Landman. 'Dat is nieuw.'

"Op het basisenergieniveau, grondtoestand genoemd, onze twee fermionen die interageren met ultrasterke afstoting gedragen zich fermionisch, wat betekent dat ze elkaar vermijden. Nutsvoorzieningen, als ze interageren met een sterke aantrekkingskracht, ze aggregeren zoals bosonen doen, " zei Landman. "Tot nu toe, alles zoals verwacht."

Maar door het energieniveau van de opgesloten deeltjes te verhogen, of opwinding, via een extra laser of een magnetisch veld, lijkt de vreemdheid van de deeltjes te vergroten. De excitatieniveaus kunnen de regels verdraaien van wat interacties doen met de vlucht van een fermion, volgens de theoretische studie.

Bijvoorbeeld, het bovengenoemde fermionische gedrag dat gewoonlijk verband houdt met sterke afstotende interactie, kan bosonisch worden, volgens de berekeningen van de fysici. Met andere woorden, de twee deeltjes zouden naar dezelfde detector vliegen zoals bosonen.

Ordelijke kwantumschizofrenie

"Hoe gek dit alles er ook uitziet, er lijkt een sterke betrouwbaarheid te zijn in dit gedrag dat zelfs voorspelbaar en praktisch kan worden gemanipuleerd, ' zei Landman.

Zoals met een werper die het pad van een screwball finesses, natuurkundigen konden de vreemde vlucht van een fermion bepalen met behulp van kwantummechanische formulering, geavanceerde computationele simulatie, en experimenteren, aldus de studie.

"Het lijkt erop dat je misschien zelfs kunt bedenken wat deze kwantumgekte doet, " zei Landman. "Als je de toestanden van deeltjes betrouwbaar kent, je kunt ze misschien gebruiken als bron voor kwantumberekeningen en het opslaan en ophalen van informatie."