Фізики знайшли новий спосіб нав'язати бозонам фермійну поведінку

Американські фізики експериментально підтвердили процес динамічної ферміонізації одномірного бозонного газу. Змусивши грати ультахолодних бозонів розширюватися в одному напрямку, вчені поспостерігали зміну імпульсного розподілу від бозонного виду до ферміонного. Результати дослідження опубліковані в журналі.

Всі частинки можна розділити на два табори: бозони і ферміони. Критерій такого поділу - значення спину, квантового числа, що характеризує власний момент імпульсу частинки. Якщо спин вашої частинки визначається цілим числом - перед вами бозон, а якщо напівцілим - ферміон. У більшості випадків бозони і ферміони ведуть себе прямо протилежним чином. Підкоряючись принципу Паулі, два і більше тотожних ферміони не можуть одночасно перебувати в одному і тому ж квантовому стані. Для опису великої кількості тотожних ферміонів застосовують статистику Фермі - Дірака. Бозони, на відміну від ферміонів, підкоряються статистиці Бозе - Ейнштейна, яка допускає знаходження необмеженої кількості тотожних частинок в одному квантовому стані. При низьких температурах газ бозонів стає конденсатом Бозе - Ейнштейна, а ферміонний газ - фермі-рідиною.

У 2004 році фізики показали, що якщо за допомогою оптичних пасток змусити холодні бозони рухатися тільки вздовж однієї лінії, вони будуть мати властивості ферміонів. Закони фізики все ще не забороняють бозонам перебувати в одному квантовому стані, проте взаємодії між ними роблять цей процес енергетично невигідним. У підсумку бозони займають різні квантові стани, а одномірний просторовий розподіл бозонів виглядає як розподіл непорушних ферміонів, такий процес фізики називають ферміонізацією. Робота 2004 року обмежена вивченням ферміонізації в рівноважному стані.

Група вчених під керівництвом Джошуа Вілсона (Joshua M. Wilson) з Університету штату Пенсільванія вивчила процес динамічної ферміонізації бозонного газу з охолоджених атомів рубідію. Її ще в 2005 році теоретично передбачив один з авторів дослідження, Маркос Рігол (Marcos Rigol). Він показав, що розширення решітки бозонів в одному напрямку формує розподіл по швидкостях, аналогічний ферміонному. Для підтвердження гіпотези Рігола, вчені сформували масив ультрахолодних атомів рубідію за допомогою оптичної решітки, отримавши одномірні ланцюжки атомів зі зневажливо малим тунелюванням між ними. У такому рівноважному стані хвильова функція бозонів з точністю до постійних повторює ферміонну хвильову функцію. Енергія і просторовий розподіл двох газів також аналогічні. А ось розподіл швидкостей залишається різним.

При відключенні однієї зі складових оптичної пастки, бозони починають одномірне розширення. За допомогою методу прольоту (TOF) фізики отримали імпульсний розподіл бозонів, який згідно з теоретичними передбаченнями плавно переходить у ферміонний.

Вчені впевнені: розуміння процесів, що відбуваються в одномірних газах допоможе встановити універсальні принципи динамічних квантових систем. "Тепер у нас є доступ до таких експериментальних можливостей, що якби ви запитали будь-якого теоретика, що працює в цій області десять років тому" "чи побачимо ми це за нашого життя?" ", вони б відповів: «» ні за що «», - каже Маркос Рігол.

Більш детально прочитати про квантові гази при низьких температурах ви можете тут.