เป็นเวลาหนึ่งร้อยปีที่อนุภาคที่รู้จักทั้งหมดมีเอกลักษณ์เพียงสองอย่าง: โบซอนเฟอร์มิออน

โบซอนสามารถซ้อนกันเป็นจํานวนอนันต์ในขณะที่เฟอร์มิออนไม่สามารถอยู่ร่วมกันในสถานะควอนตัมได้ เลเซอร์อาศัยโบซอน และเปลือกอิเล็กทรอนิกส์อาศัยเฟอร์มิออน นี่คือการแยกกลศาสตร์ควอนตัมขั้นพื้นฐานที่สุด

แต่ตอนนี้มีคนพบ "อนุภาคที่สาม" ชื่อ:類粒子(พาราอนุภาค)。

มันไม่ใช่โบซอน ไม่ใช่เฟอร์มิออน

มันไม่ใช่อนุภาคบริสุทธิ์ของสสาร และไม่ใช่ตัวกลางของแรง แต่เป็นสถานะที่ซ่อนอยู่ซึ่งกลศาสตร์ควอนตัมอนุญาตให้ดํารงอยู่ แต่ไม่เคยพบมาก่อน พวกมันอาจอาศัยอยู่ภายในวัสดุ ซึ่งอยู่ในสมมาตรสับเปลี่ยนที่แปลกประหลาด พวกเขามี "ตัวแปรภายในที่ซ่อนอยู่" ที่ไม่ได้แลกเปลี่ยนด้วยเครื่องหมายบวกหรือลบ แต่ด้วยโครงสร้างทั้งหมดที่เปลี่ยนไป

ทฤษฎีนี้ไม่ได้เสนอโดยนักปรัชญาเพ้อฝันบางคน แต่โดยทีมงานของ Zihyuan Wang จากสถาบัน Max Planck Institute for Quantum Optics ในเยอรมนี

ทุกอย่างเริ่มต้นในปี 2021 เมื่อเขาเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยไรซ์ การได้มาทางคณิตศาสตร์โดยบังเอิญทําให้เขาตระหนักว่าเขาอาจได้ไปถึงมุมที่ลืมของฟิสิกส์

ในเวลานั้นเขานําแนวคิดนี้ไปหาที่ปรึกษาของเขา ปฏิกิริยาแรกของอีกฝ่ายคือ: "ฉันไม่แน่ใจว่าสิ่งนี้เชื่อถือได้หรือไม่ แต่ถ้าคุณเชื่อจริงๆ แค่วางทุกอย่างลงและพยายามอย่างเต็มที่เพื่อทําสิ่งนี้" ”

สามปีต่อมาพวกเขาตีพิมพ์บทความของตนจริงๆ

ตีพิมพ์ใน Nature ทฤษฎีนี้เข้มงวด คณิตศาสตร์ปิด และภาพทางกายภาพชัดเจน ยิ่งไปกว่านั้น มันยังทําลายสิ่งที่คิดว่าเป็นข้อสรุปที่คาดการณ์ไว้ล่วงหน้า: ทฤษฎีบท DHR

ในช่วงทศวรรษที่ 1970 Doplicher–Haag–Roberts ได้เสนอชุดกรอบทางคณิตศาสตร์เพื่อพิสูจน์ว่าในกรณีของการตอบสนองสมมติฐานของ "ท้องถิ่น" และ "พื้นที่สามมิติ"มีเพียงโบซอนและเฟอร์มิออนเท่านั้นที่สามารถดํารงอยู่ในธรรมชาติได้。

สิ่งนี้เกือบจะ "ปิดกั้น" อนุภาคเหมือนจากความชอบธรรมทางกายภาพมานานหลายทศวรรษ

แต่ทีมงานของ Wang พบว่าสมมติฐานของ DHR นั้นรุนแรงกว่าที่ผู้คนคิดมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเด็นของ "การแยกแยะไม่ได้โดยสิ้นเชิง" ไม่จําเป็นต้องเป็นจริงในบางสถานะที่ซ้อนทับกัน

แบบจําลองคล้ายอนุภาคของพวกเขาละทิ้งข้อกําหนดที่แน่นอนของ "ไม่มีความแตกต่าง" นั่นคือหากผู้สังเกตการณ์สองคนแบ่งปันข้อมูล พวกเขาจะสามารถบอกได้ว่ามีการแลกเปลี่ยนอนุภาคหรือไม่。

นั่นคือจุดแตกหัก

การแลกเปลี่ยนอนุภาคแบบดั้งเดิมจะไม่ส่งผลต่อผลทางสถิติการทดลอง แต่หลังจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค พวกมันจะ "เชื่อมโยง" คุณสมบัติที่ซ่อนอยู่ของกันและกัน คุณสมบัติเหล่านี้ไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยตัวเอง แต่ความสัมพันธ์ของข้อมูลระหว่างผู้สังเกตการณ์หลายคนสามารถเปิดเผยข้อมูลนี้ได้

สิ่งนี้ทําให้อนุภาคเหมือนอยู่ในตําแหน่งที่น่าสนใจ:

มันไม่ใช่กองแบบสุ่มเหมือนโบซอน และไม่ได้แยกกันเหมือนเฟอร์มิออน

แต่มันเป็นจํานวนที่จํากัด

คุณสามารถกองได้เล็กน้อย แต่ถ้าคุณกองมากขึ้น มันจะ "ระเบิด" และคุณต้องเข้าสู่สถานะใหม่ สามารถวางซ้อนกันได้กี่ชิ้นขึ้นอยู่กับรายละเอียดของแบบจําลอง อนุภาคแต่ละประเภทมีระดับความแออัดที่แตกต่างกัน

นักฟิสิกส์คุ้นเคยกับโลกสองขั้ว ตอนนี้จุดกึ่งกลางคือการเตะ

ทฤษฎีคาดการณ์ว่าอนุภาคคลาสเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะปรากฏเป็น "quasiparticle" ในวัสดุแปลกใหม่บางชนิด。 นั่นคือพวกมันเป็นการแสดงออกของสภาวะตื่นเต้นโดยรวมในวัสดุ ไม่ใช่อนุภาคอิสระ คล้ายกับโฟนอน เอ็กซิตอน และแอนยอน สิ่งเหล่านี้เป็น "อนุภาครุ่นที่สอง" ที่เข้าสู่ห้องปฏิบัติการ

anyon ใด ๆ ที่เสนอโดย Frank Wilczek ในยุค 1980 ได้รับการยืนยันในวัสดุควอนตัมฮอลล์และยังถูกนําไปใช้กับสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อความผิดพลาด

ด้วยแถวอาร์เรย์อะตอม Rydbergเป็นหนึ่งในแพลตฟอร์มการจําลองควอนตัมที่ทรงพลังที่สุดโดยใช้วงโคจรที่ขยายอย่างมากของการเปลี่ยนอิเล็กตรอนในเปลือกนอกของอะตอมเพื่อให้ได้การตอบสนองที่สูงมากต่อสนามไฟฟ้า ระบบดังกล่าวถูกนํามาใช้เพื่อจําลอง anyons และอาจเป็นสมรภูมิหลักสําหรับการใช้วัตถุคล้ายอนุภาค

สิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดคือทีมงานของ Markus Müller นักวิจัยอีกคนหนึ่งกําลังทํางานกับอนุภาคเกือบในเวลาเดียวกัน พวกเขาใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป—ตีความข้อจํากัดของ DHR ใหม่และกําหนด "การแยกไม่ออก" จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์หลายคนของการซ้อนทับควอนตัม ซึ่งจะ "ตัด" ความเป็นไปได้ของการดํารงอยู่เหมือนอนุภาค

ทฤษฎีของทั้งสองฝ่ายไม่ขัดแย้งกัน แต่เสริมซึ่งกันและกัน

ในแง่ของภาพทางกายภาพ ภาพที่เหมือนอนุภาคเป็นเหมือนเครือข่ายปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกมากกว่า การสลับตําแหน่งไม่ใช่เครื่องหมายลบ แต่เป็นการอัปเกรดระบบ ซึ่งไม่เพียง แต่ส่งผลกระทบต่อผู้เข้าร่วมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิวัฒนาการที่ตามมาด้วย

สิ่งนี้ทําให้ง่ายต่อการอธิบายแบบจําลองการเปลี่ยนเฟสควอนตัมโครงสร้างสถานะที่พัวพันและอาจอยู่ในกรอบคล้ายอนุภาค

แม้กระทั่งมันเป็นไปได้วัสดุควอนตัมคลาสใหม่ถือกําเนิดขึ้น。 และมันเป็นสามมิติ ซึ่งแตกต่างจาก anyon ที่สามารถอยู่ในสองมิติเท่านั้น

ซึ่งหมายความว่าพวกเขามีโอกาสมากขึ้นในการเข้าสู่แอปพลิเคชันทางวิศวกรรม。 ตัวอย่างเช่น วัสดุที่ออกแบบด้วยคุณสมบัติคล้ายอนุภาคอาจแสดงพฤติกรรมที่ไม่สามารถทําได้กับวัสดุโบซอนหรือเฟอร์มิออนในแง่ของความหนาแน่นของสถานะ

ในอดีตเรายัดเยียดโลกไว้ในสองกล่อง: คุณสามารถซ้อนกันหรือไม่ก็ได้ ตอนนี้ตะเข็บระหว่างกล่องทั้งสองได้เปิดตะเข็บแล้ว