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研究人员找到了玻色子表现得像费米子的新方法

玻色子和费米子是所有粒子(从亚原子到原子本身)可以分类的两类,它们在大多数情况下的行为都非常不同。虽然相同的玻色子喜欢聚集,但相同的费米子倾向于反社会。但是,在一个维度上(想象只能在一条直线上移动的粒子),玻色子会变得像费米子一样僵硬,因此不会有两个占据相同的位置。现在,新的研究表明,相同的速度(玻色子像费米子)可以发生在它们的速度上。这一发现增加了我们对量子系统的基本理解,并可能为量子设备的最终发展提供信息。

宾州州立大学杰出物理学教授,研究负责人之一戴维·韦斯说:“ 自然界中的所有粒子都取决于它们的'自旋'而成为两种类型之一,这是经典物理学中没有真正类似物的量子性质。”球队。“自旋为整数的玻色子可以共享相同的量子态,而自旋为半整数的费米子则不能共享。当粒子足够冷或致密时,玻色子的行为与费米子完全不同。玻色子形成'玻色-爱因斯坦凝聚体”在同一个聚集的量子态。费米子,而另一方面,填补可用状态逐一形成所谓的‘费米海’。”

宾夕法尼亚州立大学的研究人员现在已经通过实验证明,当玻色子向一维方向扩展时(允许原子线扩展以变得更长),它们可以形成费米海。描述该研究的论文发表在2020年3月27日的《科学》杂志上。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授,研究团队的另一位负责人马科斯·里戈尔说:“相同的费米子是反社会的,在同一地方不能有多个费米子。因此,当它们很冷时,它们就不会相互作用。” “玻色子可以在同一个地方,但是当它们的相互作用非常强时,这在能量上就变得太昂贵了。结果,当被约束以一维运动时,它们的空间分布看起来就像是非相互作用的费米子。 2004年,戴维(David)的研究小组通过实验证明了这一现象,这一现象理论上是在1960年代预测的。”

即使强相互作用的玻色子和非相互作用的费米子的空间特性在一维上相同,但玻色子仍然可以彼此具有相同的速度,而费米子则不能。这是由于颗粒的基本性质。

魏斯说:“ 2005年,当时是研究生的马科斯(Marcos)预测,当相互作用力强的玻色子在一个维度上膨胀时,它们的速度分布将形成费米海。” “我很高兴能与他合作证明这一惊人现象。”

研究团队使用光学晶格创建了一系列由硼原子组成的超冷一维气体(“玻色气体”),该光学晶格使用激光捕获原子。在光阱中,系统处于平衡状态,相互作用强烈的玻色气体具有像费米子一样的空间分布,但仍然具有玻色子的速度分布。当研究人员关闭一些俘获的光时,原子就在一维膨胀。在这种膨胀过程中,玻色子的速度分布平稳地转变为与费米子相同的速度。研究人员可以随时随地进行这种转换。

Rigol说:“光学晶格中超冷气体的动力学是许多新颖的令人着迷的现象的源头,直到最近才开始对其进行探索。” “例如,戴夫(Dave)小组在2006年表明,在玻色气体在一维进行动力学之后,像温度这样的普遍性并没有得到很好的定义。我和我的合作者将这一发现与描述他的实验的理论模型的美丽的潜在数学特性相关联。称为“可整合性”。可整合性在我们新近观察到的动态铁素化现象中起着核心作用。”

因为该系统是“可集成的”,所以研究人员可以非常详细地了解它,并且通过研究这些一维气体的动力学行为,宾州州立大学的团队希望解决物理学中的广泛问题。

魏斯说:“在近半个世纪中,阐明了平衡量子系统的许多普遍性质。” “确定动力学系统中的普遍行为变得更加困难。通过充分理解一维气体的动力学,然后逐渐使这些气体的可积分性降低,我们希望确定动力学量子系统中的通用原理。”

动力学相互作用的量子系统是基础物理学的重要组成部分。它们在技术上也越来越重要,因为许多实际的和建议的量子设备都基于它们,包括量子模拟器和量子计算机。

“现在,我们可以实验性地获取一些东西,如果您十年前曾问过任何从事该领域工作的理论家,我们会在一生中看到这种情况吗?” 他们会说'没办法',”里戈说。

除了Rigol和Weiss外,宾州州立大学的研究团队还包括约书亚·威尔逊(Joshua M. Wilson),尼尔·马尔瓦尼亚(Neel Malvania),袁乐和张一成。该研究由美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室资助。计算是在宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所进行的。

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