Οι φυσικοί αποδεικνύουν ότι υπάρχουν Anyons, ένας τρίτος τύπος σωματιδίων στο Σύμπαν

Οι φυσικοί μας δίνουν μια πρώιμη άποψη για ένα τρίτο βασίλειο ημι-σωματιδίων (σαν σωματίδια) που προκύπτει μόνο σε δύο διαστάσεις

Κάθε σωματίδιο στο σύμπαν – από την κοσμική ακτινοβολία έως ένα κουάρκ – είναι είτε φερμιόνιο είτε μποζόνιο. Αυτές οι δύο κατηγορίες χωρίζουν τα δομικά στοιχεία της φύσης σε δύο ξεχωριστά βασίλεια. Τώρα οι ερευνητές ανακάλυψαν τα πρώτα παραδείγματα ενός τρίτου βασιλείου σωματιδίων.

Τα Anyons, όπως είναι γνωστά, δεν συμπεριφέρονται σαν φερμιόνια ή μποζόνια. Αντιθέτως, η συμπεριφορά τους είναι κάπου στη μέση. Σε μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύθηκε στο Science , οι φυσικοί βρήκαν τα πρώτα πειραματικά στοιχεία ότι αυτά τα σωματίδια δεν ταιριάζουν σε κανένα βασίλειο, όπως δήλωσε ο Frank Wilczek, βραβευμένος με Νόμπελ στο MIT. «Είναι ένα απολύτως νέο ορόσημο στη φυσική.»

Προβλέφθηκαν για πρώτη φορά από τους θεωρητικούς στις αρχές της δεκαετίας του 1980, ενώ αυτά τα σωματίδια προκύπτουν μόνο σε βασίλεια που περιορίζονται σε δύο διαστάσεις και έπειτα μόνο υπό ορισμένες συνθήκες – όπως σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν και παρουσία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου.

Οι φυσικοί είναι ενθουσιασμένοι για τα Anyons, όχι μόνο επειδή η ανακάλυψή τους επιβεβαιώνει δεκαετίες θεωρητικής εργασίας, αλλά και για πρακτικούς λόγους. Για παράδειγμα τα Anyons βρίσκονται στο επίκεντρο μιας προσπάθειας της Microsoft να δημιουργήσει έναν κβαντικό υπολογιστή που να λειτουργεί.

Τι είναι το Anyon;

Τα φερμιόνια είναι τα αντικοινωνικά μέλη του κόσμου των σωματιδίων. Δεν καταλαμβάνουν ποτέ την ίδια κβαντική κατάσταση. Εξαιτίας αυτού, τα ηλεκτρόνια (καθώς και πρωτόνια, νετρόνια και τα κουάρκ που τα σχηματίζουν), τα οποία είναι φερμιόνια, εξαναγκάζονται να καταλαμβάνουν διαφορετικές θέσεις γύρω από ένα πυρήνα. Από αυτό το απλό φαινόμενο προκύπτει το μεγαλύτερο μέρος του χώρου σε ένα άτομο, η εκπληκτική ποικιλία του περιοδικού πίνακα και όλη η χημεία. Και λόγω των φερμιόνων υπάρχει η στερεά ύλη

Τα μποζόνια, από την άλλη πλευρά, είναι αλαζονικά σωματίδια, χαίρονται να ενώνονται και να μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση. Έτσι, τα φωτόνια, τα οποία είναι μποζόνια (όπως και τα γλουόνια τα οποία «κολλάνε» μαζί τα κουάρκ) , μπορούν να περάσουν το ένα από το άλλο, επιτρέποντας στις ακτίνες φωτός να ταξιδεύουν ανεμπόδιστα μαζί παρά να διασκορπίζονται. Τείνουν λοιπόν να συνενώνονται. Και λόγω αυτής της συσσώρευσης έχουμε λέιζερ, τα οποία είναι ρεύματα φωτονίων που καταλαμβάνουν όλα την ίδια κβαντική κατάσταση.

Αλλά τι συμβαίνει εάν, όταν βάζετε ένα κβαντικό σωματίδιο να στρέφεται (σαν βρόχος) γύρω από ένα άλλο, δεν επιστρέφετε στην ίδια κβαντική κατάσταση; Για να κατανοήσουμε αυτή τη δυνατότητα, πρέπει να κάνουμε μια σύντομη παρέκκλιση στην τοπολογία, τη μαθηματική μελέτη των σχημάτων. Δύο σχήματα είναι τοπολογικά ισοδύναμα εάν το ένα μπορεί να μετατραπεί στο άλλο χωρίς να κοπεί ή να κολλήσει. Ένα ντόνατ για παράδειγμα και μια κούπα καφέ, το παλιό ρητό λέει, ότι είναι τοπολογικά ισοδύναμα, επειδή το ένα μπορεί να διαμορφωθεί απαλά και συνεχώς στο άλλο. 

Αν περιστρέφουμε ένα σωματίδιο γύρω από ένα άλλο φτιάχνουμε ένα βρόχο. Σε τρεις διαστάσεις 3D), μπορείτε να συρρικνώσετε αυτόν τον βρόχο μέχρι ένα σημείο. Τοπολογικά μιλώντας, είναι σαν το σωματίδιο να μην έχει μετακινηθεί καθόλου.

Ωστόσο, σε δύο διαστάσεις, ο βρόχος δεν μπορεί να συρρικνωθεί. Κολλάει στο άλλο σωματίδιο. Δεν μπορείτε να συρρικνώσετε τον βρόχο χωρίς να τον κόψετε στη διαδικασία. Λόγω αυτού του περιορισμού – που βρίσκεται μόνο σε δύο διαστάσεις – ο βρόχος ενός σωματιδίου γύρω από ένα άλλο δεν ισοδυναμεί με το να αφήσουμε το σωματίδιο στο ίδιο μέρος. Χρειαζόμαστε μια τρίτη δυνατότητα σωματιδίων: τα anyons. Δεδομένου ότι οι κυματοσυναρτήσεις τους δεν περιορίζονται στις δύο λύσεις που ορίζουν τα φερμόνια και τα μποζόνια, αυτά τα σωματίδια είναι ελεύθερα να μην είναι κανένα από τα δύο, αλλά κάτι το ενδιάμεσο. Όταν ο Frank Wilczek επινόησε για πρώτη φορά τον όρο anyon, ήταν μια λέξη που λέει ότι μπορεί να είναι οτιδήποτε.  Ο Wilczek επισημαίνει ότι τα anyons αντιπροσωπεύουν ένα ολόκληρο «βασίλειο» που περιέχει πολλές ποικιλίες με εξωτικές συμπεριφορές που μπορούν να εξερευνηθούν και να αξιοποιηθούν στο μέλλον. Άρχισε να τα σκέφτεται πριν από περίπου 40 χρόνια στις μεταπτυχιακές του σπουδές, όταν απογοητεύτηκε με τις αποδείξεις που απέδειξαν μόνο την ύπαρξη δύο ειδών σωματιδίων.

Το 1984, μία δημοσίευση δύο σελίδων από τους Wilczek, Daniel Arovas και John Robert Schrieffer έδειξε ότι αυτά τα ημι-σωματίδια έπρεπε να είναι anyons. Αλλά οι επιστήμονες δεν είχαν παρατηρήσει ποτέ συμπεριφορά που να μοιάζει με anyons σε αυτά τα ημι-σωματίδια (quasiparticles). Δηλαδή, δεν μπόρεσαν να αποδείξουν ότι τα anyons είναι αντίθετα με τα φερμιόνια ή τα μποζόνια, ούτε συνενώνονται ούτε απομακρύνονται πλήρως το ένα από το άλλο. Αυτό κάνει η νέα μελέτη. Το 2016, τρεις φυσικοί περιέγραψαν μια πειραματική ρύθμιση που μοιάζει με ένα μικροσκοπικό επιταχυντή σωματιδίων σε δύο διαστάσεις. Ο Fève και οι συνάδελφοί του έφτιαξαν κάτι παρόμοιο και το χρησιμοποιούσαν για να τα συντρίψουν μαζί. Μετρώντας τις διακυμάνσεις των ρευμάτων στον επιταχυντή, μπόρεσαν να δείξουν ότι η συμπεριφορά των anyons αντιστοιχεί ακριβώς στις θεωρητικές προβλέψεις.

Δηλαδή είναι quasiparticles (ημι-σωματίδια ή φαινομενικά σωματίδια), που σημαίνει ότι έχουν μετρήσιμες ιδιότητες όπως ένα σωματίδιο – όπως μια τοποθεσία, ίσως ακόμη και μια μάζα – αλλά είναι παρατηρήσιμα μόνο ως αποτέλεσμα της συλλογικής συμπεριφοράς άλλων, συμβατικών σωματιδίων.

Τα quasiparticles (με το 1/4 του φορτίου του ηλεκτρονίου) πρέπει να δρουν αρκετά διαφορετικά από τα περίεργα κλασματικά φορτισμένα σωματίδια, και γι αυτό έχει επιδιωχθεί να γίνουν βάση του θεωρητικού «τοπογραφικού κβαντικού υπολογιστή.» Όταν σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, ή ακόμα και αυτά με τα περίεργα κλασματικά φορτία αλλάζουν θέσεις με ένα άλλο, υπάρχει μικρή επίδραση. Αντίθετα, οι ανταλλαγές σωματιδίων με το 1/4 του φορτίου μπορεί να υφάνουν μια «πλεξούδα» που συντηρεί τις πληροφορίες για την ιστορία των σωματιδίων. Για να είναι χρήσιμα για τους τοπογραφικά βασισμένους κβαντικούς υπολογιστές, τα σωματίδια με το 1/4 του φορτίου πρέπει να αποδειχθεί πως έχουν «μη-Αβελιανές» ιδιότητες – αυτός ο τρόπος της πλεξούδας πρέπει να είναι σημαντικός. Αυτές οι λεπτές ιδιότητες είναι εξαιρετικά δύσκολο να παρατηρηθούν.

Πηγές: quantum magazine Discover Magazine – physics4u