Природа подразделяет частицы на два фундаментальных типа: фермионы и бозоны. В то время как частицы, образующие материю, такие как кварки и электроны, принадлежат к семейству фермионов, бозоны обычно служат переносчиками сил - примерами могут служить фотоны, которые опосредуют электромагнитные взаимодействия, и глюоны, которые управляют ядерными силами. Когда два фермиона обмениваются, квантовая волновая функция приобретает знак минус, то есть, говоря математически, фазу, равную пи. Для бозонов это совершенно по-другому: их фаза при обмене равна нулю. Это квантово-статистическое свойство имеет радикальные последствия для поведения как фермионных, так и бозонных квантовых многочастичных систем. Это объясняет, почему периодическая таблица Менделеева построена таким образом, как она есть, и лежит в основе сверхпроводимости.

Однако в системах с низкой размерностью появляется захватывающий новый класс частиц: анионы - ни фермионы, ни бозоны, с фазами обмена между нулем и числом пи. В отличие от традиционных частиц, анионы не существуют независимо, а возникают как возбуждения внутри квантовых состояний материи. Это явление сродни фононам, которые проявляются как колебания в струне, но ведут себя как отдельные "частицы звука". В то время как анионы наблюдались в двумерных средах, их присутствие в одномерных (1D) системах оставалось неуловимым - до сих пор.

В исследовании, опубликованном в Nature, сообщается о первом наблюдении эмерджентного анионного поведения в одномерном ультрахолодном бозонном газе. Это исследование является результатом сотрудничества экспериментальной группы Ханнса-Кристофа Негерля из Университета Инсбрука (Австрия), теоретика Михаила Звонарева из Университета Париж-Сакле и теоретической группы Натана Голдмана из Свободного университета Брюсселя (Бельгия) и Коллеж де Франс (Париж). Исследовательская группа добилась этого замечательного результата, введя и ускорив подвижную примесь в сильно взаимодействующий бозонный газ, тщательно проанализировав распределение его импульса. Их результаты показывают, что примесь способствует появлению в системе кого угодно.

"Что примечательно, так это то, что мы можем непрерывно вводить статистическую фазу, что позволяет нам плавно переходить от бозонного к фермионному поведению", - говорит Судипта Дхар, один из ведущих авторов исследования. "Это представляет собой фундаментальный прогресс в нашей способности создавать экзотические квантовые состояния". Теоретик Ботао Ванг соглашается: "Наше моделирование непосредственно отражает эту фазу и позволяет нам очень хорошо отразить экспериментальные результаты в нашем компьютерном моделировании".

Эта элегантно простая экспериментальная структура открывает новые возможности для изучения любого вещества в высокоуправляемых квантовых газах. Помимо фундаментальных исследований, такие исследования особенно интересны, поскольку, по прогнозам, определенные типы anyons позволят осуществлять топологические квантовые вычисления - революционный подход, который мог бы преодолеть ключевые ограничения современных квантовых процессоров.

Это открытие знаменует собой ключевой шаг в исследовании квантовой материи, проливающий новый свет на поведение экзотических частиц, которое может определить будущее квантовых технологий.