PRA: описан новый тип одномерных квантовых частиц

Физики из Института науки и технологий Окинавы и Университета Оклахомы показали, что в одномерных квантовых системах могут существовать частицы, не являющиеся ни бозонами, ни фермионами. Речь идет об анионах — экзотическом классе квантовых частиц, чьи свойства выходят за рамки стандартной классификации элементарных частиц.

Работа опубликована в журнале Physical Review A (PRA).

В привычном трехмерном мире все элементарные частицы относятся к одному из двух типов. Бозоны, такие как фотоны, отвечают за перенос взаимодействий и могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы — электроны, протоны и нейтроны — образуют вещество и подчиняются принципу запрета Паули, не позволяющему им занимать одинаковые состояния.

Эта классификация основана на том, как ведет себя квантовая система при обмене двух идентичных частиц местами. В трех измерениях возможны лишь два варианта: состояние либо не меняется, либо меняет знак. Однако в пространствах меньшей размерности эта логика перестает работать.

Анионы были теоретически предсказаны еще в 1970-х годах, а в 2020 году их удалось экспериментально наблюдать в двумерных структурах — на границе сверхохлажденных и сильно намагниченных одноатомных слоев полупроводников. Новая работа показывает, что подобные частицы могут существовать и в одномерных системах.

По словам авторов, ключевое отличие одномерного пространства заключается в том, что частицы не могут "обойти" друг друга — при обмене местами они вынуждены проходить друг сквозь друга. Это радикально меняет квантовую статистику.

"В одномерных системах обмен частиц перестает быть топологически эквивалентным отсутствию обмена. Это требует введения непрерывного набора обменных факторов, а не только значений +1 или –1", — объяснил аспирант Института науки и технологий Окинавы Рауль Идальго-Сакото.

В своих работах исследователи показали, что статистика таких одномерных анионов напрямую связана с силой короткодействующего взаимодействия между частицами. Это означает, что свойства частиц можно плавно настраивать, изменяя параметры системы.

Авторы подчеркнули, что необходимые экспериментальные установки уже существуют — речь идет об ультрахолодных атомных системах с точным контролем над отдельными частицами. Это открывает путь к проверке теории в лаборатории и к более глубокому пониманию фундаментальных свойств квантового мира.