Законы квантового мира дали трещину: в одном измерении частицы нарушили древнее разделение на фермионы и бозоны

В привычной нам трёхмерной Вселенной мир элементарных частиц подчиняется строгому порядку. Материя состоит из фермионов, а перенос взаимодействий обеспечивают бозоны — и это разделение лежит в основе современной физики. Однако при изменении геометрии пространства привычные правила начинают давать сбой. Об этом пишет Salvo Privitera.

За пределами фермионов и бозонов

В стандартной картине квантовой теории частицы делятся на два фундаментальных класса. Фермионы формируют материю и подчиняются принципу запрета Паули, тогда как бозоны могут находиться в одном и том же состоянии и выступают переносчиками сил.

Но физики давно предполагают, что в системах с ограниченной размерностью — например, в двумерных структурах — возможен иной тип квантовых объектов. Речь идёт об анионах, которые не являются ни чистыми фермионами, ни бозонами. Их статистические свойства занимают промежуточное положение.

Теоретические модели предсказали существование таких частиц ещё в 1970-х годах. Экспериментальное подтверждение было получено лишь в 2020 году в ультратонких двумерных системах, где движение частиц ограничено плоскостью. В таких условиях меняется сама математика обмена частицами, а вместе с ней — и их квантовое поведение.

Новый шаг: одномерные системы

Теперь исследователи из Института науки и технологий Окинавы совместно с Университетом Оклахомы показали, что аналоги анионов могут существовать даже в одномерных системах. Результаты двух работ опубликованы в журнале Physical Review A.

Учёные описали метод, позволяющий "настраивать" поведение этих частиц. Речь идёт о контроле того, как именно они обмениваются состояниями при взаимном пересечении. В трёх измерениях перестановка двух частиц приводит к строго определённому математическому результату: их квантовая статистика принимает фиксированные значения. Однако при ограничении движения до двух или одного измерения путь обмена начинает играть принципиальную роль.

В таких системах кривизна траектории, направление обхода и характер взаимодействия могут влиять на фазу волновой функции. Это открывает континуум статистических значений между -1 и 1, а не только два крайних варианта, характерных для фермионов и бозонов.

Почему это важно для физики

Открытие расширяет представления о возможных квантовых состояниях материи. Если анионоподобные объекты могут существовать в одном измерении и их свойства поддаются регулированию, это создаёт новые инструменты для моделирования сложных квантовых систем.

Подобные исследования особенно значимы для квантовых технологий. Контролируемые квантовые статистики могут быть полезны в разработке устойчивых квантовых вычислений и новых форм топологической защиты информации. Хотя речь идёт о фундаментальной теории, её последствия могут выйти далеко за пределы лабораторий.

В более широком контексте работа подчёркивает, что свойства частиц зависят не только от их внутренней природы, но и от геометрии пространства, в котором они существуют. Изменение размерности способно радикально трансформировать законы обмена и взаимодействия.