En el libro de texto de mecánica cuántica, se dice que los bosones y fermiones, dos tipos de partículas elementales que construyen el universo, comportarse de una manera drásticamente diferente. Por ejemplo, los bosones pueden compartir el mismo estado cuántico, mientras que los fermiones del mismo tipo no pueden sino llenar los estados cuánticos disponibles uno por uno.

Sin embargo, Los desarrollos modernos en la física de la materia condensada y la física de altas energías han sugerido que la frontera entre bosones y fermiones puede difuminarse. Uno de esos ejemplos es un gas de fermiones de varios sabores, cada uno identificado por un giro diferente, en el que dos sabores cualesquiera interactúan entre sí mediante la misma interacción. Se espera que los fermiones de varios sabores con tal simetría SU (N) se comporten como un conjunto de bosones sin espinas cuando el número de espines diferentes en el sistema se vuelve muy grande. Los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y la Universidad de Purdue utilizan la simulación cuántica para explorar un fenómeno de 'bosonización' con fermiones ultrafríos en tres dimensiones.

La bosonización se ha explorado, teórica y experimentalmente, en sistemas unidimensionales. Pero no está claro si la bosonización ocurre en sistemas de dimensiones superiores, en gran parte porque se desconocen las soluciones exactas para el sistema de muchos cuerpos que interactúan. Aquí, los investigadores muestran, por primera vez, que ocurre en sistemas tridimensionales midiendo los contactos de dos cuerpos, la cantidad central que gobierna todas las cantidades termodinámicas de gases cuánticos diluidos que van desde la energía hasta la presión. La evidencia de bosonización en los contactos demuestra que todas las demás cantidades termodinámicas también se acercan a las de los bosones.

Durante el experimento, los investigadores controlan el número de giros del fermión de 1 a 6, y monitorear cómo el contacto de los fermiones se aproxima al de los bosones.

Gyu-Boong Jo, Profesor asociado de física en HKUST, uno de los líderes del equipo de investigación, dijo, "Nuestra observación experimental confirma que los fermiones de sabores múltiples pueden bosonizar con el creciente número de espines en tres dimensiones. Es notable simular cuánticamente un tipo especial de sistemas fermiónicos que son difíciles de realizar en sólidos y abordar una pregunta abierta".

Este trabajo ha demostrado un método de seguimiento de contactos como una nueva herramienta para explorar la materia cuántica y sus simetrías subyacentes. En particular, esto allana el camino para la investigación precisa de fermiones SU (N) -simétricos, en el que los fermiones no idénticos interactúan de manera idéntica, que no están fácilmente disponibles en materiales reales.