Statistik över kvantkritiskt material och fraktionerad uteslutning. (a) Interagerande bosoner vid kvantkriticitet. (b) Idealiska partiklar med FES. Kredit:Science China Press
Ett kvantsystem som består av ett stort antal mikroskopiska partiklar lyder statistiska lagar på makroskopisk nivå. I naturen finns det två sorters mikroskopiska kvantpartiklar. Den ena är bosonen som uppfyller Bose-Einstein-statistiken, och den andra är fermionen som uppfyller Fermi-Dirac-statistiken.
Men för interagerande kvantsystem är sådana två typer av statistik inte de enda formerna av kvantstatistik. Till exempel kan valfri statistik dyka upp i tvådimensionella (2D) elektroner. År 1991 föreslog Nobelpristagaren F. D. M. Haldane ett nytt koncept för fraktionerad uteslutningsstatistik (FES), som är en generaliserad statistisk fördelning, med Bose- och Fermi-fördelningarna som dess två begränsningsfall. 1994 studerade fysikern Yongshi Wu och andra de termodynamiska egenskaperna hos system som uppfyller FES. Därefter har teorin om FES använts för att utföra teoretiska studier av fraktionerad Hall-effekt, kvantgaser, spinnmodeller, anyoner och många andra kvantmångkroppsproblem. Observation av FES i realistiska experiment är dock fortfarande utmanande och sparsam.
Endimensionella Bose-gaser med frånstötande interaktion har blivit en viktig plattform för experimentell studie av kvantmångkroppsfysik de senaste åren. Sådana gaser har teoretiskt visat sig uppfylla ömsesidig FES i kvasi-momentum utrymme. Men kopplingarna mellan olika kvasi-momenta gör det mycket svårt att få en direkt relation mellan mätbara fysiska storheter och statistikparametern.
Nyligen fann Xibo Zhang och hans medarbetare att för 1D och 2D kvant Bose-gaser i den kvantkritiska regimen, blir kopplingarna mellan kvasi-momenta ganska lokala, och en enkel, icke-ömsesidig FES uppstår. De etablerade en enkel överensstämmelse mellan interaktionsstyrkan och statistikparametern. Baserat på teoretiska beräkningar, numeriska Monte Carlo-kvantumsimuleringar och experimentella mätningar bekräftade forskarna att den kritiska entropin per partikel och andra termodynamiska storheter bestäms av de för icke-interagerande partiklar som följer FES.
Denna studie ger inte bara en enkel fysisk bild med teoretiska, numeriska och experimentella bevis för uppkomsten av FES i interagerande kvantsystem, utan ger också nya möjligheter och en ny metod för att förstå det kritiska beteendet hos mer komplexa kvantsystem med många kroppar. , såsom kvantgaser med SU(N)-symmetrier, etc.
Forskningen publicerades i National Science Review . + Utforska vidare
