Bosonen en fermionen, de twee klassen waarin alle deeltjes - van de subatomaire tot de atomen zelf - kunnen worden gesorteerd, gedragen zich onder de meeste omstandigheden heel anders. Terwijl identieke bosonen graag samenkomen, identieke fermionen hebben de neiging asociaal te zijn. Echter, in één dimensie - stel je deeltjes voor die alleen langs een lijn kunnen bewegen - kunnen bosonen net zo afstandelijk worden als fermionen, zodat geen twee dezelfde positie innemen. Nutsvoorzieningen, nieuw onderzoek toont aan dat hetzelfde - bosonen die werken als fermionen - kan gebeuren met hun snelheden. De bevinding draagt ​​bij aan ons fundamentele begrip van kwantumsystemen en zou de uiteindelijke ontwikkeling van kwantumapparaten kunnen informeren.

"Alle deeltjes in de natuur zijn er in twee soorten, afhankelijk van hun 'spin, ' een kwantumeigenschap zonder echte analoog in de klassieke natuurkunde, " zei David Weiss, Distinguished Professor of Physics aan Penn State en een van de leiders van het onderzoeksteam. "Bosonen, waarvan de spins hele gehele getallen zijn, kan dezelfde kwantumtoestand delen, terwijl fermionen, waarvan de spins halve gehele getallen zijn, kan niet. Wanneer de deeltjes koud of dicht genoeg zijn, bosonen gedragen zich heel anders dan fermionen. Bosonen vormen 'Bose-Einstein-condensaten, ' samenkomen in dezelfde kwantumtoestand. Fermionen, anderzijds, vul de beschikbare staten één voor één in om een ​​zogenaamde 'Fermi-zee' te vormen."

Onderzoekers van Penn State hebben nu experimenteel aangetoond dat, wanneer bosonen in één dimensie uitzetten - de lijn van atomen mag zich uitspreiden om langer te worden - kunnen ze een Fermi-zee vormen. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt op 27 maart, 2020 in het journaal Wetenschap .

"Identieke fermionen zijn asociaal, je kunt er niet meer dan één op dezelfde plek hebben, dus als ze erg koud zijn, hebben ze geen interactie, " zei Marcos Rigol, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en de andere leider van het onderzoeksteam. "Bosonen kunnen zich op dezelfde plaats bevinden, maar dit wordt energetisch te duur wanneer hun interacties erg sterk zijn. Als resultaat, wanneer gedwongen om in één dimensie te bewegen, hun ruimtelijke verdeling kan lijken op die van niet-interagerende fermionen. Terug in 2004, Davids onderzoeksgroep heeft dit fenomeen experimenteel aangetoond, die theoretisch werd voorspeld in de jaren 1960."

Hoewel de ruimtelijke eigenschappen van sterk interagerende bosonen en niet-interagerende fermionen in één dimensie hetzelfde zijn, bosonen kunnen nog steeds dezelfde snelheden hebben, terwijl fermionen dat niet kunnen. Dit komt door de fundamentele aard van de deeltjes.

"In 2005, Marco, dan een afgestudeerde student, voorspelde dat wanneer sterk op elkaar inwerkende bosonen uitzetten in één dimensie, hun snelheidsverdeling zal een Fermi-zee vormen, " zei Weiss. "Ik was erg opgewonden om met hem samen te werken bij het demonstreren van dit opvallende fenomeen."

Het onderzoeksteam creëert een reeks ultrakoude eendimensionale gassen bestaande uit bosonische atomen ('Bose-gassen') met behulp van een optisch rooster, die laserlicht gebruikt om de atomen te vangen. In de lichtval, het systeem is in evenwicht en de sterk op elkaar inwerkende Bose-gassen hebben ruimtelijke verdelingen zoals fermionen, maar hebben nog steeds de snelheidsverdelingen van bosonen. Toen de onderzoekers een deel van het vanglicht uitschakelden, de atomen breiden uit in één dimensie. Tijdens deze uitbreiding is de snelheidsverdeling van de bosonen verandert soepel in een die identiek is aan fermionen. De onderzoekers kunnen deze transformatie volgen terwijl het gebeurt.

"De dynamiek van ultrakoude gassen in optische roosters is de bron van veel nieuwe fascinerende fenomenen die pas recentelijk zijn onderzocht, "zei Rigol. "Bijvoorbeeld, Dave's groep toonde in 2006 aan dat zoiets universeels als temperatuur niet goed gedefinieerd is nadat Bose-gassen dynamiek ondergaan in één dimensie. Mijn medewerkers en ik brachten deze bevinding in verband met een prachtige onderliggende wiskundige eigenschap van de theoretische modellen die zijn experimenten beschrijven, bekend als 'integreerbaarheid'. Integreerbaarheid speelt een centrale rol in ons nieuw waargenomen dynamische fermionisatiefenomeen."

Omdat het systeem "integreerbaar is, " kunnen de onderzoekers het tot in detail begrijpen en door het dynamische gedrag van deze eendimensionale gassen te bestuderen, het Penn State-team hoopt brede problemen in de natuurkunde aan te pakken.

"In de afgelopen halve eeuw zijn veel universele eigenschappen van evenwichtsquantumsystemen opgehelderd, " zei Weiss. "Het was moeilijker om universeel gedrag in dynamische systemen te identificeren. Door de dynamiek van eendimensionale gassen volledig te begrijpen, en vervolgens door de gassen geleidelijk minder integreerbaar te maken, we hopen universele principes in dynamische kwantumsystemen te identificeren."

Dynamisch, op elkaar inwerkende kwantumsystemen zijn een belangrijk onderdeel van de fundamentele fysica. Ze worden ook technologisch relevanter, omdat veel feitelijke en voorgestelde kwantumapparaten erop zijn gebaseerd, inclusief kwantumsimulatoren en kwantumcomputers.

"We hebben nu experimentele toegang tot dingen die we tien jaar geleden zouden hebben gevraagd aan een theoreticus die in het veld werkte:'zullen we dit tijdens ons leven zien?' ze zouden hebben gezegd 'no way, ' zei Rigol.

Naast Rigol en Weiss, het onderzoeksteam van Penn State omvat Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, en Yicheng Zhang. Het onderzoek werd gefinancierd door de U.S. National Science Foundation en het U.S. Army Research Office. Berekeningen werden uitgevoerd bij het Penn State Institute for Computational and Data Sciences.