Fizicienii au „împletit” cvasiparticule ciudate numite anyons

Fizicienii au surprins prima lor privire clară asupra pânzei încâlcite țesute de particule numite anyons.

Efectul observat, cunoscut sub numele de împletitură, este cea mai frapantă dovadă de până acum pentru existența oricărui om – o clasă de particule care poate apărea doar în două dimensiuni. Când oricine este împletit, unul dintre oricine este împletit în jurul altuia, modificând stările cuantice ale oricui. Acest efect de împletire a fost observat într-un strat complex de materiale, raportează cercetătorii într-o lucrare publicată pe 25 iunie pe arXiv.org.

„Este absolut convingător”, spune fizicianul teoretician Frank Wilczek de la MIT, care a inventat termenul „oricine” în anii 1980. Fizicienii teoreticieni au crezut de mult că oricine există, dar „a vedea în realitate o duce la un alt nivel”.

Particulele fundamentale găsite în natură se încadrează în una din două clase: fermioni sau bosoni. Electronii, de exemplu, sunt fermioni, în timp ce fotonii, particulele de lumină, sunt bosoni. Oricine este o a treia clasă, dar nu ar apărea ca particule fundamentale în universul nostru 3-D. „Nu este ceva ce se vede în viața de zi cu zi”, spune fizicianul Michael Manfra de la Universitatea Purdue din West Lafayette, Ind., un coautor al studiului. Dar oricine poate apărea ca perturbări în foile bidimensionale de material. Din punct de vedere tehnic, „cvasiparticule”, anyoni sunt rezultatul mișcărilor colective a mai multor electroni, care împreună se comportă ca o singură particule.

Un mod esențial în care oricine diferă de fermioni și bozoni este modul în care se împletesc. Dacă ar fi să trageți un boson sau un fermion în jurul altuia de felul său, nu ar exista nicio înregistrare a acelei bucle. Dar pentru oricine, o astfel de împletire modifică funcția de undă a particulelor, expresia matematică care descrie starea cuantică a particulelor. Procesul introduce un factor suplimentar, numit fază, în funcția de undă.

În noul studiu, cercetătorii au creat un dispozitiv în care oricine a călătorit într-un strat 2-D de-a lungul unei căi care se împarte în două. O cale se învăluia în jurul altor persoane din centrul dispozitivului – ca un copil care se joacă cu prietenii la rață, rață, gâscă – în timp ce cealaltă a urmat un traseu direct. Cele două căi au fost reunite, iar cercetătorii au măsurat curentul electric rezultat.

Faza suplimentară dobândită în călătoria în jurul dispozitivului ar modifica modul în care intervine oricine atunci când căile se reunesc și, prin urmare, ar afecta curentul. Așa că, cercetătorii au ajustat tensiunea și câmpul magnetic de pe dispozitiv, ceea ce a schimbat numărul de persoane din centrul buclei – cum ar fi rața, rața, gâsca cu un grup mai mare sau mai mic de prieteni de joacă. Pe măsură ce oricine au fost îndepărtați sau adăugate, asta a modificat faza, producând salturi distincte în curent.

Vederea efectului a necesitat un teanc fin reglat de materiale stratificate pentru a elimina alte efecte care i-ar umbri pe oricine. „Este cu siguranță unul dintre cele mai complexe și mai complicate lucruri care au fost făcute în fizica experimentală”, spune fizicianul teoretician Chetan Nayak de la Microsoft Quantum și de la Universitatea din California, Santa Barbara.

Lucrările anterioare dezvăluiseră deja semne puternice de oricine. De exemplu, fizicianul Gwendal Fève și colegii sai au analizat ce s-a întâmplat când cvasiparticulele se ciocnesc unele cu altele (SN: 4/9/20). Împreună, cele două studii reprezintă „o dovadă foarte, foarte robustă a existenței oricăror persoane”, spune Fève, de la Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure din Paris.

Ca și munca lui Fève, noul studiu se concentrează pe o subclasă de cvasiparticule numite anyons abelieni. În timp ce acele cvasiparticule nu au găsit încă o utilizare practică, unii fizicieni speră că orice om non-abelian înrudit va fi util pentru construirea de calculatoare cuantice care sunt mai robuste decât mașinile actuale predispuse la erori (SN: 22/06/2020).