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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被迫成一條線時(shí)，一類稱為玻色子的粒子可以表現(xiàn)出與另一類稱為費(fèi)米子的粒子相反的行為。

這項(xiàng)研究是在賓夕法尼亞州立大學(xué)進(jìn)行的，部分由美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實(shí)驗(yàn)室組成的陸軍研究室提供資金，發(fā)現(xiàn)當(dāng)一維氣體中的玻色子之間的內(nèi)部相互作用非常強(qiáng)時(shí)，當(dāng)它們?cè)谝粋€(gè)維度上膨脹時(shí)，速度分布轉(zhuǎn)換成非相互作用的費(fèi)米子氣體的速度分布。該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

“原子鐘，量子計(jì)算機(jī)和量子系統(tǒng)的性能取決于所選擇系統(tǒng)的性能的正確選擇，” ARO原子與分子物理學(xué)項(xiàng)目經(jīng)理Paul Baker博士說。“這項(xiàng)研究工作表明，可以通過適當(dāng)限制系統(tǒng)的尺寸來更改系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息。除了加深我們對(duì)基本原理的理解之外，這一發(fā)現(xiàn)還可以提供一種將系統(tǒng)從玻色性動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為費(fèi)米性的方法，以最好地滿足系統(tǒng)需求。軍事需要。”

研究人員通過實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)玻色子向一維方向擴(kuò)展時(shí)（允許原子線擴(kuò)展以變得更長），它們可以形成費(fèi)米海。

賓州州立大學(xué)杰出物理學(xué)教授，研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人之一戴維·韋斯說：“自然界中的所有粒子根據(jù)其自旋而具有兩種類型，一種是經(jīng)典物理學(xué)中沒有真正類似物的量子性質(zhì)。” “自旋為整數(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)米子則不能共享。當(dāng)粒子足夠冷或致密時(shí)，玻色子的行為與費(fèi)米子完全不同。玻色子形成玻色-愛因斯坦凝聚物，另一方面，費(fèi)米子將可用狀態(tài)一一填充，形成所謂的費(fèi)米海。”

該研究小組使用光學(xué)晶格創(chuàng)建了一系列由玻色子原子組成的超冷一維氣體（玻色氣體），該光學(xué)晶格使用激光捕獲原子。在光阱中，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，相互作用強(qiáng)烈的玻色氣體具有像費(fèi)米子一樣的空間分布，但仍然具有玻色子的速度分布。當(dāng)研究人員關(guān)閉一些俘獲的光時(shí)，原子就在一維膨脹。在這種膨脹過程中，玻色子的速度分布平穩(wěn)地轉(zhuǎn)變?yōu)榕c費(fèi)米子相同的速度。

魏斯說：“通過充分了解一維氣體的動(dòng)力學(xué)，然后逐漸使氣體的可積分性降低，我們希望確定動(dòng)力學(xué)量子系統(tǒng)中的通用原理。”

動(dòng)力學(xué)相互作用的量子系統(tǒng)是基礎(chǔ)物理學(xué)的重要組成部分。它們?cè)诩夹g(shù)上也越來越重要，因?yàn)樵S多實(shí)際的和建議的量子設(shè)備都基于它們，包括量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)。

“現(xiàn)在，我們可以實(shí)驗(yàn)性地獲取一些東西，如果您十年前曾問過任何從事該領(lǐng)域工作的理論家，我們會(huì)在一生中看到這種情況嗎？” 他們會(huì)說“沒辦法”，”賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)教授，研究團(tuán)隊(duì)的另一位負(fù)責(zé)人馬科斯·里戈?duì)枺∕arcos Rigol）說。

除了ARO，美國國家科學(xué)基金會(huì)還資助了這項(xiàng)研究。