I fisici scoprono particelle quantistiche che infrangono le regole della realtà

Questa semplice divisione inizia a non essere più valida nei sistemi a dimensionalità inferiore. Fin dagli anni ’70, gli scienziati hanno previsto l’esistenza di un terzo tipo di particella, nota come anyone, che si colloca a metà strada tra un bosone e un fermione. Nel 2020, i ricercatori hanno osservato sperimentalmente queste particelle insolite al confine di semiconduttori superraffreddati, fortemente magnetizzati e spessi un solo atomo (ovvero bidimensionali).

Ora, gli scienziati dell’Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) e dell’Università dell’Oklahoma hanno portato avanti l’idea. In due articoli pubblicati su Physical Review A , il team ha identificato un sistema unidimensionale in grado di supportare gli anyoni e ha studiato il comportamento teorico di queste particelle.

I recenti progressi nel controllo delle singole particelle all’interno di sistemi atomici ultrafreddi potrebbero anche rendere queste idee verificabili in veri e propri esperimenti di laboratorio.

“Sembra che ogni particella del nostro universo rientri rigorosamente in due categorie: bosonica o fermionica. Perché non ce ne sono altre?”, si chiede il professor Thomas Busch dell’Unità di Sistemi Quantistici dell’OIST. “Con questi lavori, abbiamo aperto la strada a una migliore comprensione delle proprietà fondamentali del mondo quantistico ed è davvero entusiasmante vedere dove ci porterà la fisica teorica e sperimentale da qui in avanti.”

Perché le particelle quantistiche si dividono in due gruppi

La distinzione tra bosoni e fermioni deriva da ciò che accade quando due particelle identiche si scambiano di posto. In tre dimensioni, gli esperimenti mostrano solo due possibili esiti. O il sistema rimane invariato, come avviene per i bosoni, oppure il sistema inverte il segno, come accade per i fermioni. Non sembrano esistere altre possibilità.

Questo comportamento è legato a uno dei principi più importanti della fisica quantistica: l’indistinguibilità. Nella vita di tutti i giorni, due oggetti identici possono comunque essere distinti. Se due biglie sono dipinte di colori diversi, ad esempio, si può seguire quale si è spostata e dove. Le particelle quantistiche non funzionano in questo modo.

Due particelle identiche, come gli elettroni, non possono essere etichettate individualmente se tutte le loro proprietà quantistiche coincidono. Scambiandole si ottiene uno stato fisicamente indistinguibile da quello originale, il che significa che le proprietà misurabili del sistema devono rimanere invariate.

Raúl Hidalgo-Sacoto, dottorando presso l’unità OIST, spiega: “Dato che questo scambio equivale a non fare nulla, la statistica matematica che governa l’evento, nota come fattore di scambio, deve obbedire a una semplice regola: il quadrato del fattore di scambio deve essere uguale a 1. Gli unici due numeri che soddisfano questa regola sono +1 e -1. Ecco perché tutte le particelle devono essere, rispettivamente, bosoni, per i quali il fattore è 1, o fermioni, per i quali il fattore è -1.”

Queste due famiglie di particelle si comportano in modo molto diverso. I bosoni tendono naturalmente a raggrupparsi e a comportarsi collettivamente. I laser ne sono un esempio, in cui i fotoni della stessa lunghezza d’onda (colore) si muovono in sincronia. I condensati di Bose-Einstein ne sono un altro, con atomi ultrafreddi che occupano lo stesso stato quantico.

I fermioni si comportano in modo opposto. Elettroni, protoni e neutroni si oppongono a condividere lo stesso stato. Questa proprietà è uno dei motivi per cui la tavola periodica contiene così tanti elementi diversi.

Come le dimensioni inferiori modificano le regole quantistiche

Se la natura ammette solo due tipi di particelle in tre dimensioni, perché in dimensioni inferiori possono essere presenti particelle diverse?

La risposta risiede nel modo in cui le particelle si muovono l’una rispetto all’altra. Nei sistemi a dimensioni inferiori, le particelle hanno a disposizione un numero minore di percorsi possibili. Quando si scambiano di posto, le loro traiettorie si intrecciano nello spazio e nel tempo. A differenza di quanto accade in tre dimensioni, questi percorsi non possono essere semplicemente sbrogliati in seguito. Di conseguenza, lo stato risultante dallo scambio non è più equivalente a quello originale.

Hidalgo-Sacoto prosegue: “In dimensioni inferiori, questo scambio non è più topologicamente equivalente al non fare nulla. Per soddisfare la legge di indistinguibilità, abbiamo bisogno di fattori di scambio su un intervallo continuo per tenere conto dello scambio, dipendenti dalle precise torsioni e curve dei percorsi.”

Ciò apre la strada agli anyoni, particelle i cui fattori di scambio possono assumere valori diversi da +1 o -1. In altre parole, non sono né bosoni puri né fermioni puri.

Anyons regolabili in una dimensione

Nei nuovi studi pubblicati, i ricercatori hanno dimostrato che la separazione tra bosoni e fermioni rimane superata anche nei sistemi unidimensionali. Hanno inoltre scoperto qualcosa di particolarmente interessante: il fattore di scambio nei sistemi 1D può essere regolato direttamente.

In una dimensione, le particelle non possono muoversi l’una intorno all’altra per scambiarsi di posto. Devono invece attraversarsi direttamente. Secondo i ricercatori, questo modifica in modo fondamentale il comportamento di scambio rispetto alle dimensioni superiori.

Gli studi dimostrano che il fattore di scambio in questi sistemi è legato all’intensità delle interazioni a corto raggio tra le particelle. Ciò significa che gli scienziati potrebbero potenzialmente affinare sperimentalmente le statistiche di scambio, creando opportunità per esplorare una vasta gamma di nuovi fenomeni quantistici.

“Non solo abbiamo identificato la possibilità di esistenza di anyoni unidimensionali, ma abbiamo anche dimostrato come sia possibile mappare le loro statistiche di scambio e, cosa ancora più entusiasmante, come la loro natura possa essere osservata attraverso la distribuzione della loro quantità di moto”, riassume il Prof. Busch. “Le configurazioni sperimentali necessarie per effettuare queste osservazioni esistono già. Siamo entusiasti di vedere quali scoperte future verranno fatte in questo campo e cosa potranno rivelarci sulla fisica fondamentale del nostro universo.”

Gli anyoni non relativistici in una dimensione possiedono statistiche di scambio generalizzate in cui lo scambio di due anyoni identici genera una fase che è governata dall’ordinamento spaziale delle particelle e dal parametro statistico
Lavorando nel continuo, dimostriamo l’esistenza di due tipi distinti di anioni unidimensionali (1D), vale a dire anioni bosonici e anioni fermionici. Identifichiamo un’hamiltoniana a molti corpi con interazioni additive a due corpi a raggio zero che supporta autostati di anioni bosonici e fermionici, i quali sono, per una forza di interazione arbitraria, correlati attraverso una mappatura generalizzata anione bosonico-anione fermionico, un’estensione della celebre mappatura Bose-Fermi per sistemi 1D interagenti a raggio zero. Le distribuzioni di momento degli anioni bosonici e fermionici sono distinte: mentre entrambi presentano −2 E −3 code, i prefattori associati differiscono. Il nostro lavoro rivela intricate connessioni tra le statistiche di scambio generalizzate, i contatti Tan universali a due e tre corpi di sistemi costituiti da particelle identiche e l’emergere della rottura della simmetria chirale indotta dalla statistica.