Kurviga basebollplaner har överraskande saker gemensamt med kvantpartiklar som beskrivs i en ny fysikstudie, även om de senare flyger mycket konstigare.

Faktiskt, ultrakylda parade partiklar som kallas fermioner måste bete sig ännu konstigare än fysikerna tidigare trott, enligt teoretiska fysiker från Georgia Institute of Technology, som matematiskt studerade sina flygmönster. Redan, flygande kvantpartiklar var kända för sin konstighet.

För att förstå varför, börja med likheter med en baseboll och lägg sedan till betydande skillnader.

En kanna ger snurr, Momentum, och energi till en baseboll när man kastar en curveball, en förändring, eller en reglage. Fermions roliga flygningar skärs också av snurr, momenta, och energier, men också av kraftfulla kvantexcentriciteter som trassel, som Albert Einstein en gång kallade "spöklik handling på avstånd" mellan kvantpartiklar.

I den nya studien, forskarna förutspådde till och med att partiklarna kan fungera som olika kvantbollar som kallas bosoner för att efterlikna det sätt som fotoner, eller ljuspartiklar, flyga. En förenklad förklaring av dessa ultrakylda parade partiklar och deras udda flygningar är nedan.

Modeller av lätt materia

Dessa influenser kombineras alla för att ge fermioner en bana -repertoar som är mycket luktigare än för någon mästare i basebollkanna, och den nya studien kartlägger den och öppnar nya sätt att observera den experimentellt. Georgia Tech-teamet tog det fantastiska tillvägagångssättet att lägga till kvantoptiska eller ljusliknande idéer till sina förutsägbara beräkningar av dessa materiella fläckar och kom fram till ögonbrynhöjning, insiktsfulla resultat.

"Partikelbeteendet vi förutspådde är bara schizofren, "sa Uzi Landman, Regents 'and Institute Professor och F.E. Callaway Endowed Chair i Georgia Tech's School of Physics.

Matematiska och teoretiska detaljer finns i studien i tidskriften Fysisk granskning A , vilken Landman, författare Benedikt Brandt, som är forskarassistent, och seniorforskaren Constantine Yannouleas publicerad den 4 maj, 2018. Deras forskning finansierades av Air Force Office of Scientific Research.

Flygande fermioner förklaras

Att spåra kvantkurvbollar är av naturens kontraintuitiv med begrepp som fermioner, bosoner, snurrar, skrämmande intrassling, och partikelvågsdualitet. Så, låt oss gå steg för steg för att förstå dem och studiens insikter.

Bollspelet kretsar kring fermionpar. Fermioner kan vara subatomära partiklar eller hela atomer. I detta fall, fysikerna modellerade med hjälp av atomer.

Termen fermion hänvisar till kvantstatistiska egenskaper som partikeln har i motsats till egenskaperna hos dess motpartikel kallad boson, särskilt partikelns snurr, som kallas halvtal för fermioner och heltal för bosoner. (Dessa snurr är inte exakt som på en boll. För mer, se:Fermions and Bosons for Dummies.)

"Fotoner och Higgs -bosoner är exempel på bosoner, "Landman sa." Bosoner är gemensamma:Två eller flera bosoner kan dela exakt samma utrymme. Detta gör att många av dem kan läggas över varandra på samma lilla plats. "

"Fermions, å andra sidan, är avskyvärda. De gör anspråk på sitt eget utrymme, och dela det inte med andra partiklar. Fermions kan staplas på varandra men upptar inte samma utrymme. "

Elektroner, protoner, neutroner, och några atomer är vanliga exempel på fermioner.

Laserpincettbasbollar

Den teoretiska studien föreställer sig två fermionatomer som börjar noggrant hålls bredvid varandra av två par "pincetter" gjorda av skärande laserstrålar, som faktiskt görs i tillämpliga fysikförsök. I studiens teoretiska upplägg, lasrar och speciella magnetfält skulle också användas för att sakta ner fermionerna till ett nästan stopp, gör dem "ultrakylda" vid 0,000000001 grader Kelvin, eller -273,15 grader Celsius (-459,67 grader Fahrenheit).

Det är ett snitt över absolut noll, lägsta möjliga temperatur i universum, och partiklar som kyla gör konstiga saker.

"En partikels rörelse är vanligtvis häftig, men kylningen saktar ner det nästan till stillastående, "sa Landman, som också är chef för Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "Och dessa partiklar har också vågegenskaper, och vid den temperaturen, våglängden blir enormt lång. "

"Vågorna blir mikron i storlek. Det skulle vara som en sten som växer till en tredjedel av landets storlek. När det händer, atomen blir faktiskt synlig under ett optiskt mikroskop. "

Den uppblåsta storleken gör det lättare för forskare att känna till de två partiklarnas startplatser. När de stänger av laserpincetten, fermionerna flyger iväg. Partiklarnas vågegenskaper har också mycket att göra med deras konstiga flygningar.

"En partikel i rörelse kommer att fungera som en projektil under vissa omständigheter. Men i andra, det kommer att bete sig som en våg, "Sa Landman." Vi kallar det kvantvärldens dualitet. "

Tillsammans eller isär

"Om du ställer in två detektorer på olika positioner men samma avstånd från partikelparet, hur ofta de två flyger in i samma detektor eller hur ofta de flyger in i separata säger mycket om dessa partiklar, "Sa Landman." Och det är där våra konstiga fynd kommer in. "

Fermioner förväntas flyga annorlunda än bosoner, men de teoretiska fysikernas studie om fermioner reviderar denna idé. Beroende på graden av kvantinträngning mellan de två fermionerna innan de släpps och beroende på deras energinivå, de kan agera som fermioner eller agera som bosoner.

"Detta tillför ny konstighet till den redan etablerade schizofrena partikelvågsdualiteten, Sa Landman.

"Ett par fotoner (som är bosoner) flyger till samma plats. De stannar som ett par, "Landman sa." De är sociala djur, och du hittar dem antingen båda i den ena detektorn eller båda i den andra. Vi kallar detta fenomen för "hopning". "

Weirdo flygvägar

Fermioner förväntas ofta göra motsatsen, kallas anti-buntning, men enligt studien, hur de flyger beror på om de har en spöklik interaktion eller inte. om så är fallet, om samspelet är attraktivt eller motbjudande.

"Om de interagerar, och beroende på startenerginivån, vi förutspår att de kan göra konstiga saker när de flyger, "Sa Landman." Det är nytt. "

"På basenerginivån, kallas grundtillstånd, våra två fermioner som interagerar med ultrastark avstötning beter sig fermioniskt, vilket betyder att de undviker varandra. Nu, om de interagerar med stark attraktion, de aggregerar som bosoner gör, "Sa Landman." Hittills, allt som förväntat. "

Men att höja de fångade partiklarnas energinivå, eller excitation, via en extra laser eller ett magnetfält, verkar öka partiklarnas konstigheter. Excitationsnivåerna kan vrida reglerna för vad interaktioner gör för en fermions flygning, enligt den teoretiska studien.

Till exempel, det ovannämnda fermioniska beteendet som vanligtvis är förknippat med stark avstötande interaktion kan bli bosoniskt, enligt fysikernas beräkningar. Med andra ord, de två partiklarna skulle flyga till samma detektor som bosoner gör.

Ordnad kvant schizofreni

"Så galet som allt detta ser ut, det verkar finnas stark tillförlitlighet i dessa beteenden som till och med kan förutsägbart och praktiskt manipuleras, Sa Landman.

Som med en kanna som finessar en skruvbolls väg, fysiker kan bestämma en fermions konstiga flykt med hjälp av kvantmekanisk formulering, avancerad beräkningssimulering, och experimentera, sa studien.

"Det ser ut som att du till och med kan konstruera vad denna kvantkunnighet gör, "Sa Landman." Om du vet att partikeltillstånd är tillförlitliga, du kanske kan använda dem som en resurs för kvantberäkningar och informationslagring och hämtning. "