Бозоны оказались способны вести себя как фермионы

Исследователи из Пенсильванского университета выяснили, что бозоны при движении в одном измерении могут образовывать ферми-жидкость, которая ранее считалась характерной только для фермионов. Статья об открытии опубликована в журнале Science.

«Все частицы в природе бывают одного из двух типов в зависимости от их спина — квантового свойства, аналогичного моменту собственного вращения частицы, — рассказывает один из авторов новой работы, профессор физики в Пенсильванском университете Дэвид Вайс. — Спины бозонов всегда целые, и они могут принимать одно и то же квантовое состояние. Чего не скажешь о фермионах, чьи спины полуцелые, а сами частицы при этом не могут находится в одном и том же состоянии. Если частицы достаточно сильно охладить или сжать, бозоны поведут себя совершенно не так, как фермионы. Первые образуют конденсат Бозе — Эйнштейна, в котором все частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы, напротив, начнут по очереди занимать свободные квантовые состояния, образуя так называемую ферми-жидкость».

Исследователи теперь экспериментально доказали, что, если заставить бозоны перемещаться только в одном измерении, они начнут вести себя как ферми-жидкость. Это явление было предсказано еще в 1960-х годах. Впервые увидеть его удалось в 2004 году, но только теперь исследователи смогли подробнее изучить его и показать.

В обычном трехмерном пространстве бозоны не могут вести себя так же, как фермионы, так как для этого им требуется слишком много энергии, и гораздо более выгодно существовать в виде конденсата Бозе — Эйнштейна. В новой работе ученые создали массив ультрахолодных бозонных атомов, находящихся в состоянии одномерного газа — так называемый бозе-газ. Это удалось сделать с помощью оптической решетки, которая может захватывать атомы с помощью лазерного света.

В световой ловушке система находится в равновесии. При этом в сильно взаимодействующих бозе-газах наблюдается то же пространственное и энергетическое распределение бозонов в пространстве, что и у фермионов, однако распределение скоростей остается различным. В одном из экспериментов ученые изменили параметры ловушки и позволили бозонам двигаться в двух измерениях. При этом распределение скоростей бозонов плавно перешло в идентичное фермионам. Авторы проследили эту трансформацию и выяснили все детали так называемого процесса «фермионизации». Результаты работы найдут применение не только в фундаментальной науке, но и, например, при создании квантовых компьютеров.