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研究人员报告了一种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——都可以被归类的两类粒子,它们在大多数情况下的表现非常不同。虽然相同的玻色子喜欢聚集,但相同的费米子往往是反社会的。然而,在一维中——想象一下只能在一条线玻色子上运动的粒子可以变得和费米子一样疏远,因此没有两个粒子占据相同的位置。
 
现在,新的研究表明,同样的事情——像费米子一样的玻色子——可以以它们的速度发生。这一发现增进了我们对量子系统的基本理解,并可能为量子器件的最终发展提供信息。
 
宾夕法尼亚州立大学(Penn State)物理学教授、该研究团队的负责人之一大卫•韦斯(David Weiss)表示:“自然界中的所有粒子都有两种类型,取决于它们的‘自旋’,这是一种经典物理学中没有真正类比的量子性质。”“自旋为整数的玻色子可以共享相同的量子态,沐鸣app登录而自旋为半整数的费米子则不能。当粒子足够冷或密度足够大时,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”,聚集在相同的量子态中。另一方面,费米子一个接一个地填满所有可能的状态,形成了所谓的‘费米海’。”
 
研究人员现在已经通过实验证明,当玻色子在一个维度上膨胀时——原子线被允许延伸变长——它们可以形成费米海。一篇描述这项研究的论文发表在《科学》杂志上。
 
“相同的费米子是反社会的,你不可能在同一个地方有多个费米子,所以当它们非常冷的时候,它们不会相互作用,”该研究团队的另一位领导者、物理学教授马科斯·里格尔(Marcos Rigol)说。“玻色子可能在同一个地方,但当它们的相互作用非常强时,这在能量上就变得太昂贵了。”因此,当被限制在一个维度上移动时,它们的空间分布可能看起来像不相互作用的费米子。早在2004年,大卫的研究小组就通过实验证明了这一现象,这一现象早在20世纪60年代就得到了理论预测。”
 
即使强相互作用的玻色子和非相互作用的费米子的空间性质在一维上是相同的,玻色子仍然可以有相同的速度,而费米子却不能。这是由于粒子的基本性质。
 
“2005年,当时还是研究生的马科斯预测,当强相互作用的玻色子在一维中膨胀时,它们的速度分布将形成费米海,”韦斯说。“能与他合作展示这一惊人的现象,我感到非常兴奋。”
 
研究小组利用一种利用激光捕获原子的光学晶格,创造了一组由玻色子原子(“玻色子气体”)组成的超冷一维气体。在光阱中,系统处于平衡状态,强相互作用的玻色子气体具有像费米子那样的空间分布,但仍然具有玻色子的速度分布。当研究人员关闭一些被捕获的光时,原子在一维中膨胀。在膨胀过程中,玻色子的速度分布平稳地转变为与费米子相同的速度分布。研究人员可以随时跟踪这种转变。
 
“超冷气体在光学晶格中的动力学是许多新奇迷人现象的来源,沐鸣app登录这些现象直到最近才开始被探索,”里格尔说。例如,戴夫的团队在2006年发现,在玻色气体经历一维动力学之后,像温度这样普遍的东西就不能很好地定义了。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一个美丽的潜在数学性质联系起来,这个数学性质被称为“可积性”。“可积性在我们新观察到的动态费米化现象中起着核心作用。”
 
由于该系统是“可积的”,研究人员可以非常详细地了解它,通过研究这些一维气体的动力学行为,研究小组希望解决物理学中的广泛问题。
 
“在过去的半个世纪里,平衡量子系统的许多普遍性质已经被阐明,”Weiss说。“在动力系统中识别普遍行为是比较困难的。通过充分理解一维气体的动力学,然后逐步降低气体的可积性,我们希望能找出动力学量子系统的普遍原理。”
 
动态、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,因为许多实际的和提议的量子设备都是基于它们,包括量子模拟器和量子计算机。