Znajdź zawartość

Mechanika kwantowa od dziesięcioleci przyjmuje istnienie dwóch kategorii cząstek: fermionów, które się odpychają, i bozonów, które się przyciągają. Teraz dwóch fizyków-teoretyków dowodzi istnienia nowej klasy kwazicząstek, paracząstek. Kaden Hazzard z Rice University i Zhiyuan Wang z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka, przeprowadzili obliczenia, na podstawie których wykazali, że w specyficznych warunkach mogą pojawiać się paracząstki o właściwościach odmiennych od fermionów i bozonów. Mechanika kwantowa wyróżnia fermiony – cząstki o spinie niecałkowitym, które biorą udział w budowie materii, np. elektrony czy kwarki – oraz bozony, cząstki o spinie całkowitym, będące nośnikami oddziaływań, jak gluon czy foton. Fermiony podlegają zakazowi Pauliego zgodnie z którym w danym stanie kwantowym nie może znajdować się więcej niż jeden fermion. Bozony mu nie podlegają. Ma to fundamentalne znaczenie dla budowy atomów i właściwości materii. Fermiony i bozony to jedyne cząstki występujące w przestrzeni trójwymiarowej. W 2020 roku zaobserwowano – hipotetyczne do tamtej pory – eniony. To kwazicząstki, które nie są ani bozonami, ani fermionami, ale występują tylko w przestrzeni dwuwymiarowej. W latach 50. ubiegłego wieku pojawiła się koncepcja istnienia paracząstek. Była ona intensywnie badana na gruncie fizyki wysokich energii, a w ciągu kolejnych dwóch dekad wykazano, że wszelkie obliczenia matematyczne wskazujące na istnienie paracząstek w rzeczywistości opisują bozony lub fermiony. Uznano więc, że w przestrzeni trójwymiarowej możliwe są tylko te dwie klasy cząstek. Hazzard i Wang właśnie rzucili wyzwanie temu przekonaniu. Teoretycznie wykazali oni, że paracząstki mogą pojawiać się w pewnych egzotycznych topologicznych stanach materii. Nasze odkrycie, poprzez lepsze zrozumienie stanów topologicznych i statystyki kwazicząstek, może otwierać nowe pola badawcze w fizyce materii skontensowanej. Sugeruje ono również możliwość istnienia nowego typu cząstek elementarnych, mówi Wang. Uczeni stworzyli teoretyczne modele systemów materii skondensowanej, w których pojawiają się paracząstki. Wykazują one egzotyczne właściwości, inne niż fermiony i bozony. W mechanice kwantowej zachowanie cząstek jest opisywane przez matematyczną funkcję falową. Dzięki niej możemy wyliczyć prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym stanie kantowym. Jeśli mamy układ składający się z dwóch bozonów i zamienimy je miejscami, to ich funkcja falowa nie ulegnie zmianie. W przypadku fermionów jedyne, co się zmieni to znak (+ lub -) funkcji falowej układu. Natomiast, jak wynika z analiz Hazzarda i Wanga, paracząstki mają dodatkowe właściwości o pewnym stopniu swobody, który powoduje, że po zamianie układ może przyjąć różne wartości. Opisywane tutaj badania mają nie tylko znaczenie teoretyczne, polegające na poszerzeniu naszej wiedzy z zakresu teorii fizyki cząstek. Paracząstki mogą znaleźć zastosowanie w naukach materiałowych i informatyce kwantowej. Niewykluczone, że opisująca je statystyka posłuży do budowy bezpiecznych systemów komunikacji. Hazzard i Wang planują prowadzenie dalszych badań i stworzenie bardziej realistycznych modeli teoretycznych, pozwalających zaprojektować eksperyment, dzięki któremu dojdzie do odkrycia paracząstek. « powrót do artykułu

Reguła Pauliego (zakaz Pauliego) to jedna z podstawowych zasad opisu jąder atomowych i atomów. Wynika z niej cały szereg podstawowych właściwości materii. Mówi ona, że w układzie fermionów dwie cząstki nie mogą przebywać w tym samym stanie kwantowym, czyli nie mogą mieć jednakowych liczb kwantowych. Z tego zaś można wyprowadzić wniosek o istnieniu szczególnych struktur geometrycznych zwanych kryształami Pauliego. Właśnie po raz pierwszy udało się je zaobserwować. Kryształy Pauliego to – dotychczas tylko teoretycznie przewidywane – wyjątkowe struktury geometryczne tworzone przez fermiony podlegające zakazowi Pauliego. Naukowcy z Uniwersytetu w Heidelbergu poinformowali właśnie o dokonaniu pierwszych obserwacji tych struktur. W opublikowanej na łamach arXiv pracy Observation of Pauli Crystals [PDF], czytamy: w przeciwieństwie do prawdziwej fazy krystalicznej, te unikatowe wysoko zorganizowane korelacje pojawiają się nawet bez interakcji. Opisujemy tutaj bezpośrednią obserwację kryształów Pauliego w systemie ultrazimnych atomów umieszczonych w dwuwymiarowym potencjalne oscylatora harmonicznego. Naukowcy informują, że do powstania kryształów Pauliego dochodzi w pułapce, nawet jeśli uwięzione w niej fermiony nie wchodzą między sobą w żadne interakcje. W przeciwieństwie do klasycznych kryształów, powstała tu struktura nie jest oczywista bezpośrednio w rozkładzie gęstości, ale ujawnia się w korelacjach względnych pozycji. Stan podstawowy jest koherentną superpozycją wszystkich możliwych konfiguracji kryształu. Niemieccy uczeni zauważają, że wiarygodności uzyskanym wynikom dodaje ich zgodność z teoretycznymi przewidywaniami. Podczas badań naukowcy wykorzystali laserową pułapkę, w której uwięzili chmurę atomów litu-6. Atomy zostały schłodzone do bardzo niskiej temperatury, co wymusiło na nich ułożenie się w jednoatomową płaską warstwę. Następnie wykonano liczne fotografie fermionów spełniających założone warunki i w ten sposób zobrazowano kryształy Pauliego. Uczeni mówią, że ich technika może zostać wykorzystana do badania innych zjawisk związanych z gazami z fermionów. « powrót do artykułu