Een kwantumsysteem bestaande uit een groot aantal microscopisch kleine deeltjes gehoorzaamt aan statistische wetten op macroscopisch niveau. In de natuur zijn er twee soorten microscopisch kleine kwantumdeeltjes. Een daarvan is het boson dat voldoet aan de Bose-Einstein-statistieken en het andere is het fermion dat voldoet aan de Fermi-Dirac-statistieken.

Voor op elkaar inwerkende kwantumsystemen zijn dergelijke twee soorten statistieken echter niet de enige vormen van kwantumstatistieken. Anyonic-statistieken kunnen bijvoorbeeld ontstaan ​​in tweedimensionale (2D) elektronen. In 1991 stelde Nobelprijswinnaar F.D.M. Haldane een nieuw concept voor van fractionele uitsluitingsstatistieken (FES), een gegeneraliseerde statistische verdeling, met de Bose- en Fermi-verdelingen als de twee beperkende gevallen. In 1994 bestudeerden natuurkundige Yongshi Wu en anderen de thermodynamische eigenschappen van systemen die aan FES voldoen. Vervolgens is de theorie van de FES gebruikt om theoretische studies uit te voeren naar het fractionele Hall-effect, kwantumgassen, spinmodellen, anyons en vele andere kwantum veeldeeltjesproblemen. Het observeren van de FES in realistische experimenten blijft echter uitdagend en schaars.

Eendimensionale Bose-gassen met afstotende interactie zijn de afgelopen jaren een belangrijk platform geworden voor de experimentele studie van kwantumfysica met veel lichamen. Van dergelijke gassen is theoretisch aangetoond dat ze voldoen aan de wederzijdse FES in quasi-momentumruimte. De koppelingen tussen verschillende quasi-momenten maken het echter erg moeilijk om een ​​directe relatie te verkrijgen tussen meetbare fysieke grootheden en de statistische parameter.

Onlangs ontdekten Xibo Zhang en zijn collega's dat voor 1D- en 2D-kwantum Bose-gassen in het kwantumkritische regime, de koppelingen tussen quasi-momenta nogal lokaal worden, en een eenvoudige, niet-wederzijdse FES ontstaat. Ze stelden een eenvoudige overeenkomst vast tussen de interactiesterkte en de statistische parameter. Op basis van theoretische berekeningen, numerieke quantum Monte Carlo-simulaties en experimentele metingen, bevestigden de onderzoekers dat de kritische entropie per deeltje en andere thermodynamische grootheden worden bepaald door die van niet-interagerende deeltjes die voldoen aan de FES.

Deze studie biedt niet alleen een eenvoudig fysiek beeld met theoretische, numerieke en experimentele bewijzen voor de opkomst van de FES in op elkaar inwerkende kwantumsystemen, maar biedt ook nieuwe perspectieven en een nieuwe methode voor het begrijpen van het kritische gedrag van complexere kwantum veellichamensystemen. , zoals kwantumgassen met SU(N)-symmetrieën, enz.

Het onderzoek is gepubliceerd in National Science Review . + Verder verkennen

Kwantificering van de effecten van botsingen van drie deeltjes in kwantumgassen