玻色子和費(fèi)米子是所有粒子（從亞原子到原子本身）都可以分類(lèi)為這兩種不同的粒子，在大多數(shù)情況下表現(xiàn)得非常不同。雖然完全相同的玻色子“喜歡”聚集在一起，但完全相同的費(fèi)米子往往“不喜歡”聚集在一起。

然而，在一個(gè)維度上（想象粒子只能沿著直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）玻色子可以變得像費(fèi)米子一樣孤立，因此沒(méi)有兩個(gè)粒子占據(jù)相同的位置?，F(xiàn)在，新的研究表明，同樣的事情（玻色子的行為就像費(fèi)米子）也可以發(fā)生上。

這一發(fā)現(xiàn)增加了我們對(duì)量子系統(tǒng)的基本理解，并可能為量子設(shè)備的最終發(fā)展提供信息。賓夕法尼亞州立大學(xué)杰出的物理學(xué)教授、研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一大衛(wèi)·韋斯說(shuō)：自然界中的所有粒子都有兩種類(lèi)型，這取決于它們的‘自旋’，這是一種量子特性，在經(jīng)典物理學(xué)中沒(méi)有真正的類(lèi)比。自旋為全整數(shù)的玻色子可以共享相同的量子態(tài)，而自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子則不能。

當(dāng)粒子足夠冷或足夠密集時(shí)，玻色子的行為與費(fèi)米子完全不同，玻色子形成‘玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體’，聚集在相同的量子態(tài)中。另一方面，費(fèi)米子一個(gè)接一個(gè)地填充可用態(tài)，形成所謂的‘費(fèi)米?！?。賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)玻色子在一個(gè)維度上膨脹時(shí)（原子線(xiàn)被允許擴(kuò)展到更長(zhǎng)）可以形成“費(fèi)米?！保溲芯砍晒F(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)教授、研究小組的另一位負(fù)責(zé)人馬科斯·里戈?duì)?Marcos Rigol)說(shuō)：完全相同的費(fèi)米子“不喜歡”聚集在一起，所以不能在同一個(gè)地方有多個(gè)費(fèi)米子，所以當(dāng)它們溫度非常低的時(shí)候，它們就不會(huì)相互作用。而多玻色子可以在同一位置，但當(dāng)它們的相互作用非常強(qiáng)時(shí)，這在能量上就變得過(guò)于高。因此，當(dāng)它們被限制在一維運(yùn)動(dòng)時(shí)，玻色子的空間分布，可能看起來(lái)像沒(méi)有相互作用的費(fèi)米子。

早在2004年，大衛(wèi)的研究小組就實(shí)驗(yàn)證明了這一現(xiàn)象，這是在20世紀(jì)60年代從理論上預(yù)測(cè)的。即使強(qiáng)相互作用玻色子和非相互作用費(fèi)米子的空間性質(zhì)在一維上相同，玻色子仍然可以彼此具有相同的速度，而費(fèi)米子則不能，這是由于粒子的基本性質(zhì)造成。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一大衛(wèi)·韋斯說(shuō)：2005年，當(dāng)時(shí)還是一名研究生的馬科斯預(yù)測(cè)當(dāng)強(qiáng)相互作用玻色子在一維空間膨脹時(shí)：

它們的速度分布將形成費(fèi)米海，能與他合作展示這一驚人的現(xiàn)象，我感到非常興奮。研究小組利用光學(xué)晶格創(chuàng)造了一系列由玻色子原子(“玻色氣體”)組成的超冷一維氣體，光學(xué)晶格利用激光捕獲原子。在光阱中，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，強(qiáng)相互作用玻色氣體具有類(lèi)似費(fèi)米子的空間分布，但仍具有玻色子的速度分布，當(dāng)研究人員關(guān)閉一些俘獲光時(shí)，原子在一維上膨脹。

在這種膨脹過(guò)程中，玻色子的速度分布平滑地轉(zhuǎn)變?yōu)榕c費(fèi)米子相同的速度分布，研究人員可以在這種轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí)對(duì)其進(jìn)行追蹤。光學(xué)晶格中超冷氣體動(dòng)力學(xué)是許多新迷人現(xiàn)象的來(lái)源，這些現(xiàn)象直到近幾年才開(kāi)始被探索。例如，戴夫的團(tuán)隊(duì)在2006年發(fā)現(xiàn)，在玻色氣體經(jīng)歷了一維的動(dòng)力學(xué)之后，像溫度這樣普遍的東西，并沒(méi)有得到很好的定義。

研究團(tuán)隊(duì)將這一發(fā)現(xiàn)與描述實(shí)驗(yàn)理論模型的一個(gè)美麗潛在數(shù)學(xué)性質(zhì)聯(lián)系在一起，稱(chēng)為”可積性“?？煞e性在研究新觀(guān)察到的動(dòng)態(tài)費(fèi)米化現(xiàn)象中發(fā)揮著核心作用，由于該系統(tǒng)是“可積的”，研究人員可以非常詳細(xì)地了解它。通過(guò)研究這些一維氣體的動(dòng)力學(xué)行為，研究小組希望解決物理學(xué)中的廣泛?jiǎn)栴}。

在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，平衡量子系統(tǒng)的許多普遍性質(zhì)已經(jīng)被闡明，確定動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的普遍行為變得更加困難。通過(guò)充分了解一維氣體的動(dòng)力學(xué)，然后逐漸降低氣體的可積性，研究團(tuán)隊(duì)希望確定動(dòng)力學(xué)量子系統(tǒng)中的普遍原理。動(dòng)力學(xué)、相互作用的量子系統(tǒng)是基礎(chǔ)物理的重要組成部分，它們?cè)诩夹g(shù)上的相關(guān)性也越來(lái)越大。因?yàn)樵S多實(shí)際和擬議的量子設(shè)備都是基于這些原理，包括量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)。

如果你在十年前問(wèn)任何一個(gè)在該領(lǐng)域的理論家，我們有生之年會(huì)看到這樣的事情嗎？他們會(huì)說(shuō)‘不可能’，但現(xiàn)在已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，科學(xué)研究的發(fā)展，真的很難預(yù)料，也許明天又了一項(xiàng)意想不到的突破性發(fā)現(xiàn)！

博科園｜研究/來(lái)自：賓夕法尼亞州立大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

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