Bosones y fermiones, las dos clases en las que se pueden clasificar todas las partículas, desde las subatómicas hasta los átomos mismos, comportarse de manera muy diferente en la mayoría de las circunstancias. Mientras que a los bosones idénticos les gusta congregarse, los fermiones idénticos tienden a ser antisociales. Sin embargo, en una dimensión, imagina partículas que solo pueden moverse en una línea, los bosones pueden volverse tan distantes como los fermiones, para que no haya dos en la misma posición. Ahora, Una nueva investigación muestra que lo mismo, los bosones que actúan como fermiones, puede suceder con sus velocidades. El hallazgo se suma a nuestra comprensión fundamental de los sistemas cuánticos y podría informar el eventual desarrollo de dispositivos cuánticos.

"Todas las partículas de la naturaleza son de dos tipos, dependiendo de su 'giro, 'una propiedad cuántica sin análogo real en la física clásica, "dijo David Weiss, Profesor distinguido de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. "Bosones, cuyos giros son enteros enteros, puede compartir el mismo estado cuántico, mientras que los fermiones, cuyos giros son medios enteros, no poder. Cuando las partículas estén lo suficientemente frías o densas, los bosones se comportan de manera completamente diferente a los fermiones. Los bosones forman 'condensados ​​de Bose-Einstein, 'congregándose en el mismo estado cuántico. Fermiones por otra parte, llene los estados disponibles uno por uno para formar lo que se llama un 'mar de Fermi' ".

Los investigadores de Penn State ahora han demostrado experimentalmente que, cuando los bosones se expanden en una dimensión (se permite que la línea de átomos se extienda para alargarse) pueden formar un mar de Fermi. Un artículo que describe la investigación aparece el 27 de marzo de 2020 en la revista Ciencias .

"Los fermiones idénticos son antisociales, no puede tener más de uno en el mismo lugar, así que cuando hace mucho frío no interactúan, "dijo Marcos Rigol, profesor de física en Penn State y el otro líder del equipo de investigación. "Los bosones pueden estar en el mismo lugar, pero esto se vuelve energéticamente demasiado costoso cuando sus interacciones son muy fuertes. Como resultado, cuando se ve obligado a moverse en una dimensión, su distribución espacial puede parecerse a la de los fermiones que no interactúan. En 2004, El grupo de investigación de David demostró experimentalmente este fenómeno, que se predijo teóricamente en la década de 1960 ".

Aunque las propiedades espaciales de los bosones que interactúan fuertemente y de los fermiones que no interactúan son las mismas en una dimensión, Los bosones todavía pueden tener las mismas velocidades que los demás, mientras que los fermiones no pueden. Esto se debe a la naturaleza fundamental de las partículas.

"En 2005, Marcos, luego un estudiante de posgrado, predijo que cuando los bosones que interactúan fuertemente se expanden en una dimensión, su distribución de velocidad formará un mar de Fermi, ", dijo Weiss." Estaba muy emocionado de colaborar con él en la demostración de este fenómeno sorprendente ".

El equipo de investigación crea una serie de gases unidimensionales ultrafríos formados por átomos bosónicos ('gases Bose') utilizando una red óptica, que utiliza luz láser para atrapar los átomos. En la trampa de la luz el sistema está en equilibrio y los gases Bose que interactúan fuertemente tienen distribuciones espaciales como fermiones, pero todavía tienen las distribuciones de velocidad de los bosones. Cuando los investigadores apagaron parte de la luz de captura, los átomos se expanden en una dimensión. Durante esta expansión, la distribución de velocidades de los bosones se transforma suavemente en una que es idéntica a los fermiones. Los investigadores pueden seguir esta transformación a medida que ocurre.

"La dinámica de los gases ultrafríos en las redes ópticas es la fuente de muchos fenómenos fascinantes novedosos que solo recientemente han comenzado a explorarse, "dijo Rigol." Por ejemplo, El grupo de Dave demostró en 2006 que algo tan universal como la temperatura no está bien definido después de que los gases Bose experimentan una dinámica en una dimensión. Mis colaboradores y yo relacionamos este hallazgo con una hermosa propiedad matemática subyacente de los modelos teóricos que describen sus experimentos, conocido como 'integrabilidad'. La integrabilidad juega un papel central en nuestro fenómeno de fermionización dinámica recientemente observado ".

Dado que el sistema es "integrable, "los investigadores pueden comprenderlo con gran detalle y mediante el estudio del comportamiento dinámico de estos gases unidimensionales, el equipo de Penn State espera abordar cuestiones generales de física.

"En el último medio siglo se han dilucidado muchas propiedades universales de los sistemas cuánticos de equilibrio, ", dijo Weiss." Ha sido más difícil identificar el comportamiento universal en los sistemas dinámicos. Al comprender completamente la dinámica de los gases unidimensionales, y luego, haciendo que los gases sean menos integrables, esperamos identificar principios universales en sistemas cuánticos dinámicos ".

Dinámico, Los sistemas cuánticos que interactúan son una parte importante de la física fundamental. También son cada vez más relevantes tecnológicamente, ya que muchos dispositivos cuánticos reales y propuestos se basan en ellos, incluyendo simuladores cuánticos y computadoras cuánticas.

"Ahora tenemos acceso experimental a cosas que si le hubieras preguntado a cualquier teórico que trabajara en el campo hace diez años '¿veremos esto en nuestra vida?' hubieran dicho 'de ninguna manera, '", dijo Rigol.

Además de Rigol y Weiss, el equipo de investigación de Penn State incluye a Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, y Yicheng Zhang. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Los cálculos se realizaron en el Penn State Institute for Computational and Data Sciences.