Физики из Окинавского института науки и технологий совместно с коллегами из Университета Оклахомы обосновали существование анионов – частиц, не относящихся ни к бозонам, ни к фермионам – в одномерных квантовых системах. Традиционно материю и фундаментальные взаимодействия в трехмерной Вселенной описывают через две категории объектов. Бозоны, такие как фотоны, переносят силы и могут группироваться в одном квантовом состоянии. Фермионы, включая электроны и протоны, формируют вещество и подчиняются принципу запрета Паули, который не позволяет двум частицам находиться в идентичном состоянии.
Различие между ними проявляется при попытке поменять две одинаковые частицы местами. В трехмерном пространстве такая перестановка либо не меняет состояние системы, что характерно для бозонов, либо приводит к инверсии фазы, как у фермионов. Математически это выражается коэффициентом обмена, квадрат которого всегда равен единице. Однако в системах с низкой размерностью топологические ограничения меняются. Траектории частиц при перемещении переплетаются, что позволяет коэффициенту обмена принимать любые значения в диапазоне между +1 и –1. Такие гибридные объекты называют анионами.
Первые экспериментальные подтверждения существования анионов в двухмерных полупроводниках при сверхнизких температурах и сильном магнитном поле появились в 2020 году. Новое исследование, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review A, доказывает возможность их возникновения и в одномерных структурах. Ученые обнаружили, что в условиях ограниченного пространства частицы не могут физически обойти друг друга и вынуждены проходить насквозь. Это меняет механику их взаимодействия и позволяет напрямую влиять на их квантовую природу.
Согласно теоретическим расчетам, характеристики анионов в одномерном пространстве зависят от силы их краткодействующего взаимодействия. Это дает физикам возможность управлять квантовой статистикой частиц, регулируя их свойства в ходе опыта. По словам профессора Окинавского института Томаса Буша, такая гибкость открывает новые возможности для понимания фундаментального устройства квантового мира.
Предложенные модели могут быть проверены в ближайшее время с помощью существующих лабораторных установок для работы с ультрахолодными атомами. Современные методы контроля за отдельными частицами позволяют отследить их распределение по импульсам, что является ключевым индикатором природы анионов. Исследование расширяет границы физики элементарных частиц и может стать базой для развития новых квантовых технологий.