Bosoner och fermioner, de två klasserna i vilka alla partiklar-från sub-atom till själva atomer-kan sorteras, beter sig väldigt annorlunda under de flesta omständigheter. Medan identiska bosoner gillar att samlas, identiska fermioner tenderar att vara asociala. Dock, i en dimension-föreställ dig partiklar som bara kan röra sig på en linje-bosoner kan bli lika avskyvärda som fermioner, så att inga två intar samma position. Nu, ny forskning visar att samma sak – bosoner som fungerar som fermioner – kan hända med deras hastigheter. Fyndet bidrar till vår grundläggande förståelse av kvantsystem och kan informera om den eventuella utvecklingen av kvantenheter.

"Alla partiklar i naturen finns i en av två typer, beroende på deras spin, 'en kvantegenskap utan någon verklig analog i klassisk fysik, sa David Weiss, Framstående professor i fysik vid Penn State och en av ledarna för forskargruppen. "Bosoner, vars snurr är hela heltal, kan dela samma kvanttillstånd, medan fermioner, vars snurr är halva heltal, kan inte. När partiklarna är tillräckligt kalla eller täta, bosoner beter sig helt annorlunda än fermioner. Bosoner bildar 'Bose-Einstein-kondensat, ' samlas i samma kvanttillstånd. Fermions, å andra sidan, fyll i tillgängliga stater en efter en för att bilda det som kallas ett 'Fermihav'. "

Forskare vid Penn State har nu experimentellt visat att, när bosoner expanderar i en dimension – raden av atomer tillåts breda ut sig för att bli längre – kan de bilda ett Fermihav. Ett papper som beskriver forskningen visas den 27 mars, 2020 i tidningen Vetenskap .

"Identiska fermioner är antisociala, du kan inte ha mer än en på samma plats så när de är väldigt kalla interagerar de inte, sa Marcos Rigol, professor i fysik vid Penn State och den andra ledaren för forskargruppen. "Bosoner kan vara på samma plats, men detta blir energimässigt för kostsamt när deras interaktioner är mycket starka. Som ett resultat, när man är tvungen att röra sig i en dimension, deras rumsliga fördelning kan se ut som den för icke-interagerande fermioner. Tillbaka 2004, Davids forskargrupp demonstrerade experimentellt detta fenomen, som teoretiskt förutspåddes på 1960-talet."

Även om de rumsliga egenskaperna hos starkt interagerande bosoner och icke-interagerande fermioner är desamma i en dimension, bosoner kan fortfarande ha samma hastigheter som varandra, medan fermioner inte kan. Detta beror på partiklarnas grundläggande natur.

"Under 2005, Marcos, sedan en doktorand, förutspådde att när starkt samverkande bosoner expanderar i en dimension, deras hastighetsfördelning kommer att bilda ett Fermihav, ", sa Weiss. "Jag var väldigt glad över att få samarbeta med honom för att demonstrera detta slående fenomen."

Forskargruppen skapar en rad ultrakalla endimensionella gaser som består av bosoniska atomer ("Bose-gaser") med hjälp av ett optiskt gitter, som använder laserljus för att fånga atomerna. I ljusfällan, systemet är i jämvikt och de starkt interagerande Bose -gaserna har rumsliga fördelningar som fermioner, men har fortfarande bosonernas hastighetsfördelningar. När forskarna stänger av en del av fångstljuset, atomerna expanderar i en dimension. Under denna expansion, hastighetsfördelningen av bosonerna förvandlas smidigt till en som är identisk med fermioner. Forskarna kan följa denna omvandling när den sker.

"Dynamiken hos ultrakalla gaser i optiska gitter är källan till många nya fascinerande fenomen som först nyligen har börjat utforskas, sade Rigol. Till exempel, Daves grupp visade 2006 att något så universellt som temperatur inte är väldefinierat efter att Bose -gaser genomgått dynamik i en dimension. Mina medarbetare och jag relaterade detta fynd till en vacker underliggande matematisk egenskap hos de teoretiska modellerna som beskriver hans experiment, känd som "integrerbarhet". Integrerbarhet spelar en central roll i vårt nyligen observerade dynamiska fermioniseringsfenomen."

Eftersom systemet är "integrerbart, "Forskarna kan förstå det i detalj och genom att studera det dynamiska beteendet hos dessa endimensionella gaser, Penn State-teamet hoppas kunna ta itu med breda frågor inom fysik.

"Under det senaste halvseklet har många universella egenskaper hos jämviktskvantumsystem klarlagts, ", sa Weiss. "Det har varit svårare att identifiera universellt beteende i dynamiska system. Genom att till fullo förstå dynamiken hos endimensionella gaser, och sedan genom att gradvis göra gaserna mindre integrerbara, vi hoppas kunna identifiera universella principer i dynamiska kvantsystem."

Dynamisk, interagerande kvantsystem är en viktig del av fundamental fysik. De ökar också tekniskt relevanta, eftersom många faktiska och föreslagna kvantenheter är baserade på dem, inklusive kvantsimulatorer och kvantdatorer.

"Vi har nu experimentell tillgång till saker som om du skulle ha frågat någon teoretiker som arbetar inom området för tio år sedan "kommer vi att se detta under vår livstid?" de skulle ha sagt "inget sätt, sa Rigol.

Förutom Rigol och Weiss, forskargruppen vid Penn State inkluderar Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, och Yicheng Zhang. Forskningen finansierades av U.S. National Science Foundation och U.S. Army Research Office. Beräkningar utfördes vid Penn State Institute for Computational and Data Sciences.