重磅！不可能，已成为能：成功让玻色子，表现得像费米子一样！

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玻色子和费米子是所有粒子（从亚原子到原子本身）都可以分类为这两种不同的粒子，在大多数情况下表现得非常不同。虽然完全相同的玻色子“喜欢”聚集在一起，但完全相同的费米子往往“不喜欢”聚集在一起。然而，在一个维度上（想象粒子只能沿着直线运动）玻色子可以变得像费米子一样孤立，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（玻色子的行为就像费米子）也可以发生上。


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。宾夕法尼亚州立大学杰出的物理学教授、研究团队负责人之一大卫·韦斯说：自然界中的所有粒子都有两种类型，这取决于它们的‘自旋’，这是一种量子特性，在经典物理学中没有真正的类比。自旋为全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。


图示：研究人员使用这种设备创造了一系列由原子组成的超冷一维气体。
当粒子足够冷或足够密集时，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充可用态，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实验证明：当玻色子在一个维度上膨胀时（原子线被允许扩展到更长）可以形成“费米海”，其研究成果现已发表在《科学》期刊上。


宾夕法尼亚州立大学物理学教授、研究小组的另一位负责人马科斯·里戈尔(Marcos Rigol)说：完全相同的费米子“不喜欢”聚集在一起，所以不能在同一个地方有多个费米子，所以当它们温度非常低的时候，它们就不会相互作用。而多玻色子可以在同一位置，但当它们的相互作用非常强时，这在能量上就变得过于高。因此，当它们被限制在一维运动时，玻色子的空间分布，可能看起来像没有相互作用的费米子。


早在2004年，大卫的研究小组就实验证明了这一现象，这是在20世纪60年代从理论上预测的。即使强相互作用玻色子和非相互作用费米子的空间性质在一维上相同，玻色子依旧可以彼此具有相同的速度，而费米子则不能，这是由于粒子的基本性质造成。研究团队负责人之一大卫·韦斯说：2005年，当时还是一名研究生的马科斯预测当强相互作用玻色子在一维空间膨胀时：


图示：一维膨胀的强相互作用，玻色子囚禁气体的速度分布演化，最初达到峰值的“玻色子”分布(紫线)逐渐转变为“费米子”分布(暗红线)，最终的形状就像费米海一样，它将表征同一初始陷阱中的费米子。
它们的速度分布将形成费米海，能与他合作展示这一惊人的现象，我感到非常兴奋。研究小组利用光学晶格创造了一系列由玻色子原子(“玻色气体”)组成的超冷一维气体，光学晶格利用激光捕获原子。在光阱中，系统处于平衡状态，强相互作用玻色气体具有类似费米子的空间分布，但仍具有玻色子的速度分布，当研究人员关闭一些俘获光时，原子在一维上膨胀。


在这种膨胀过程中，玻色子的速度分布平滑地转变为与费米子相同的速度分布，研究人员可以在这种转变发生时对其进行追踪。光学晶格中超冷气体动力学是许多新迷人现象的来源，这些现象直到近几年才开始被探索。例如，戴夫的团队在2006年发现，在玻色气体经历了一维的动力学之后，像温度这样普遍的东西，并没有得到很好的定义。


研究团队将这一发现与描述实验理论模型的一个美丽潜在数学性质联系在一起，称为”可积性“。可积性在研究新观察到的动态费米化现象中发挥着核心作用，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，确定动力学系统中的普遍行为变得更加困难。通过充分了解一维气体的动力学，然后逐渐降低气体的可积性，研究团队希望确定动力学量子系统中的普遍原理。动力学、相互作用的量子系统是基础物理的重要组成部分，它们在技术上的相关性也越来越大。因为许多实际和拟议的量子设备都是基于这些原理，包括量子模拟器和量子计算机。


如果你在十年前问任何一个在该领域的理论家，我们有生之年会看到这样的事情吗？他们会说‘不可能’，但现在已经有了实验机会，科学研究的发展，真的很难预料，也许明天又了一项意想不到的突破性发现！
博科园｜研究/来自：宾夕法尼亚州立大学
参考期刊《科学》
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