Παράξενα anyons

Ξεχάστε τους κανόνες που ξέρατε ότι τα σωματίδια πρέπει να είναι είτε φερμιόνια είτε μποζόνια. Αυτά ισχύουν για τον τρισδιάστατο κόσμο μας. Οι κάτοικοι όμως του κόσμου των δύο διαστάσεων – όπως είναι τα σωματίδια anyons – δεν υπακούουν στον κανόνα αυτό, αλλά βρίσκονται κάπου μεταξύ των δύο  – μια διφορούμενη κατάσταση ανάμεσα στα φερμιόνια και μποζόνια με τη δική τους στατιστική, που οδήγησε το νομπελίστα Frank Wilczekof ένα θεωρητικό φυσικό στο MIT, να τους δώσει πριν 30 χρόνια αυτό το περίεργο όνομα.

Όμως η ιστορία τους είχε ξεκινήσει το 1977 όταν μια ομάδα από θεωρητικούς φυσικούς που εργάζονταν στο Πανεπιστήμιο του Όσλο, με επικεφαλής τους Jon Leinaas και Jan Myrheim, υπολόγισαν ότι ο παραδοσιακός διαχωρισμός μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων δεν θα ισχύει για τα υφιστάμενα θεωρητικά σωματίδια που βρίσκονται σε δύο διαστάσεις. Τέτοια σωματίδια (αν υπάρχουν) αναμένεται να παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα απρόβλεπτων μέχρι σήμερα ιδιοτήτων. Το όνομά τους, anyons, πάντως τους δόθηκε από τον Frank Wilczek.

Τα συμβατικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια μπορούν να θεωρηθούν ως ανωμαλίες στην ενέργεια του ελεύθερου χώρου, σαν σημειακές «διεγέρσεις» του κβαντικού κενού. Ομοίως, τα anyons παρουσιάζονται ως ενεργητικές διεγέρσεις, που το κάθε ένα φαινομενικά μεταφέρει μόνο ένα κλάσμα του φορτίου του ηλεκτρονίου, σε δισδιάστατες στρώσεις ορισμένων μετάλλων όταν αυτά εκτίθενται σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Ας σημειωθεί πως και τα κουάρκ έχουν ένα κλάσμα του φορτίου ενός ηλεκτρονίου, αλλά δεν είναι anyons επειδή οι στατιστικές τους δεν είναι ίδιες

Σε μια τέτοια κατάσταση, τα κινούμενα μέρη είναι στην πραγματικότητα τα φωτόνια των μαγνητικών πεδίων και τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου. Γιατί λοιπόν να εφεύρουμε ένα νέο σωματίδιο; Για τον ίδιο λόγο που εφευρίσκουμε πράγματα όπως τα πρωτόνια, λέει ο Wilczek: αυτά δουλεύουν. Τα πρωτόνια αποτελούνται από κουάρκ, αλλά κανείς δεν έχει δει ποτέ μόνο του ένα κουάρ, γι’ αυτό όταν περιγράφουμε πώς δουλεύουν οι πυρήνες, τους βλέπουμε σαν πρωτόνια και νετρόνια. «Κατ ‘αρχήν, θα μπορούσατε να το κάνετε χωρίς να προσδιορίζεται τις διεγέρσεις ως ξεχωριστές οντότητες», λέει ο Wilczek. "Αλλά τούτο θα ήταν δύσκολο και παράλογο."

Η έλευση δισδιάστατων  υλικών, όπως το γραφένιο – στρώσεις ατόμων άνθρακα που η εξήγηση τους έδωσε το Νόμπελ φυσικής το 2010 στους Andre Geim και Konstantin Novoselov – σημαίνει ότι τα anyons θα μπορούσαν σύντομα να είναι υπαρκτά. Τα μοναδικά τους χαρακτηριστικά τα κάνουν επίσης φαβορί για να τροφοδοτήσουν μια μελλοντική γενιά ταχύτατων κβαντικών υπολογιστών.

Το 2005, μια ομάδα φυσικών στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη κατασκεύασαν ένα συμβολόμετρο ημι-σωματιδίου ανιχνεύοντας τα μοτίβα που οφείλονται στην συμβολή των anyons, κάτι που ερμηνεύθηκε ότι δείχνει ότι τα anyons είναι πραγματικά, και όχι απλώς ένα μαθηματικό κατασκεύασμα. Ωστόσο, τα πειράματα αυτά εξακολουθούν να είναι αμφιλεγόμενα και δεν είναι πλήρως αποδεκτά από την επιστημονική κοινότητα.

Διαβάστε περισσότερα για το ημισωματίδιο (quasiparticle): Ανακαλύφθηκε νέο ‘φαινομενικό’ σωματίδιο που μπορεί να φέρει ένα νέου τύπου κβαντικό υπολογιστή