Um sistema quântico que consiste em um grande número de partículas microscópicas obedece a leis estatísticas no nível macroscópico. Na natureza, existem dois tipos de partículas quânticas microscópicas. Um é o bóson que satisfaz as estatísticas de Bose-Einstein, e o outro é o férmion que satisfaz as estatísticas de Fermi-Dirac.
No entanto, para sistemas quânticos interativos, esses dois tipos de estatísticas não são as únicas formas de estatística quântica. Por exemplo, estatísticas anyonic podem surgir em elétrons bidimensionais (2D). Em 1991, o vencedor do Prêmio Nobel de Física F. D. M. Haldane propôs um novo conceito de estatística de exclusão fracionária (FES), que é uma distribuição estatística generalizada, com as distribuições de Bose e Fermi sendo seus dois casos limites. Em 1994, o físico Yongshi Wu e outros estudaram as propriedades termodinâmicas de sistemas que satisfazem a FES. Posteriormente, a teoria da FES tem sido usada para realizar estudos teóricos sobre o efeito Hall fracionário, gases quânticos, modelos de spin, anyons e muitos outros problemas quânticos de muitos corpos. No entanto, a observação da FES em experimentos realistas ainda permanece desafiadora e escassa.

Os gases de Bose unidimensionais com interação repulsiva tornaram-se uma importante plataforma para o estudo experimental da física quântica de muitos corpos nos últimos anos. Tais gases foram teoricamente mostrados para satisfazer FES mútuo no espaço de quasi-momentum. No entanto, os acoplamentos entre diferentes quase-momentos tornam muito difícil obter uma relação direta entre grandezas físicas mensuráveis ​​e o parâmetro estatístico.

Recentemente, Xibo Zhang e seus colegas descobriram que para gases quânticos 1D e 2D de Bose no regime quântico crítico, os acoplamentos entre quase-momentos tornam-se bastante locais, e surge um FES simples e não mútuo. Eles estabeleceram uma correspondência simples entre a força da interação e o parâmetro estatístico. Com base em cálculos teóricos, simulações quânticas numéricas de Monte Carlo e medições experimentais, os pesquisadores confirmaram que a entropia crítica por partícula e outras grandezas termodinâmicas são determinadas pelas partículas que não interagem obedecendo ao FES.

Este estudo não apenas fornece uma imagem física simples com evidências teóricas, numéricas e experimentais para o surgimento da FES em sistemas quânticos interativos, mas também fornece novas perspectivas e um novo método para entender o comportamento crítico de sistemas quânticos de muitos corpos mais complexos , como gases quânticos com simetrias SU(N), etc.

A pesquisa foi publicada na National Science Review . + Explorar mais

Quantificando os efeitos de colisões de três partículas em gases quânticos