Les terrains de baseball sinueux ont des points communs surprenants avec les particules quantiques décrites dans une nouvelle étude de physique, bien que ces derniers volent beaucoup plus bizarrement.

En réalité, les particules appariées ultrafroides appelées fermions doivent se comporter encore plus étrangement que les physiciens ne le pensaient auparavant, selon les physiciens théoriciens du Georgia Institute of Technology, qui a mathématiquement étudié leurs schémas de vol. Déjà, les particules quantiques volantes étaient réputées pour leur étrangeté.

Pour comprendre pourquoi, commencez par des similitudes avec une balle de baseball, puis ajoutez des différences significatives.

Un pichet donne de l'effet, élan, et de l'énergie à une balle de baseball en lançant une balle courbe, un changement, ou un curseur. Les vols amusants de Fermions sont également sculptés par des vrilles, élan, et énergies, mais aussi par de puissantes excentricités quantiques comme l'intrication, qu'Albert Einstein a un jour appelé « action effrayante à distance » entre les particules quantiques.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont même prédit que les particules peuvent agir comme différentes boules quantiques appelées bosons pour imiter la manière dont les photons, ou des particules de lumière, mouche. Une explication simplifiée de ces particules appariées ultrafroides et de leurs vols étranges est ci-dessous.

Modélisation lumière-matière

Ces influences se combinent toutes pour donner à fermions un répertoire de trajectoires bien plus étrange que celui de n'importe quel maître lanceur de baseball, et la nouvelle étude le cartographie et ouvre de nouvelles façons de l'observer expérimentalement. L'équipe de Georgia Tech a adopté l'approche décalée en ajoutant des idées d'optique quantique - ou de type lumière - à leurs calculs prédictifs de ces grains de matière et est arrivée à faire froncer les sourcils, résultats perspicaces.

"Le comportement des particules que nous avons prédit est juste schizophrène, " a déclaré Uzi Landman, Regents' and Institute Professor et F.E. Callaway Endowed Chair à la Georgia Tech's School of Physics.

Les détails mathématiques et théoriques peuvent être trouvés dans l'étude dans le journal Examen physique A , quel Landman, premier auteur Benedikt Brandt, qui est assistant de recherche diplômé, et scientifique senior Constantine Yannouleas publié le 4 mai, 2018. Leur recherche a été financée par le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force.

Les fermions volants expliqués

Tracer des boules de courbes quantiques est contre-intuitif par nature avec des concepts tels que les fermions, bosons, tourne, enchevêtrement effrayant, et la dualité particule-onde. Donc, allons-y étape par étape pour les comprendre ainsi que les idées de l'étude.

Le jeu de balle tourne autour des paires de fermions. Les fermions peuvent être des particules subatomiques ou des atomes entiers. Dans ce cas, les physiciens modélisés à l'aide d'atomes.

Le terme fermion fait référence aux propriétés statistiques quantiques que la particule a par opposition aux propriétés de sa particule homologue appelée boson, en particulier le spin de la particule, qui est appelé demi-entier pour les fermions et plein entier pour les bosons. (Ces tours ne sont pas exactement comme ceux d'une balle. Pour en savoir plus, voir :Fermions et bosons pour les nuls.)

"Les photons et les bosons de Higgs sont des exemples de bosons, " Landman a dit. " Les bosons sont grégaires :deux ou plusieurs bosons peuvent partager exactement le même espace. Cela permet à beaucoup d'entre eux d'être superposés les uns aux autres sur le même petit endroit."

"Fermes, d'autre part, sont distants. Ils revendiquent leur propre espace, et ne le partagez pas avec d'autres particules. Les fermions peuvent être empilés les uns sur les autres mais n'occupent pas le même espace."

électrons, protons, neutrons, et certains atomes sont des exemples courants de fermions.

Balles de baseball à épiler au laser

L'étude théorique envisage deux atomes fermioniques au départ soigneusement maintenus l'un à côté de l'autre par deux paires de "pinces" constituées de faisceaux laser croisés, comme cela se fait réellement dans les expériences de physique applicables. Dans le cadre théorique de l'étude, des lasers et des champs magnétiques spéciaux seraient également utilisés pour ralentir les fermions jusqu'à un quasi-arrêt, les rendant "ultra froids" à 0,000000001 degrés Kelvin, ou -273,15 degrés Celsius (-459,67 degrés Fahrenheit).

C'est un éclat au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse possible dans l'univers, et les particules froides font des choses étranges.

"Le mouvement d'une particule est généralement frénétique, mais le refroidissement le ralentit presque jusqu'à l'arrêt, " dit Landman, qui est également directeur du Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "Et ces particules ont aussi des propriétés ondulatoires, et à cette température, la longueur d'onde grandit énormément."

"Les vagues deviennent des microns. Ce serait comme un caillou qui ferait un tiers de la taille de ce pays. Quand cela arrivera, l'atome devient en fait visible au microscope optique."

La taille gonflée permet aux chercheurs de connaître plus facilement les emplacements de départ des deux particules. Lorsqu'ils éteignent la pince laser, les fermions s'envolent. Les propriétés ondulatoires des particules ont également beaucoup à voir avec leurs vols étranges.

"Une particule en mouvement agira comme un projectile dans certaines circonstances. Mais dans d'autres, il se comportera comme une vague, " Landman a déclaré. "Nous l'appelons la dualité du monde quantique."

Ensemble ou séparément

"Si vous installez deux détecteurs à des positions différentes mais à la même distance de la paire de particules, combien de fois les deux volent dans le même détecteur ou combien de fois ils volent dans des détecteurs séparés en dit long sur ces particules, " Landman a dit. " Et c'est là que nos découvertes étranges entrent en jeu. "

Les fermions devraient voler différemment des bosons, mais l'étude des physiciens théoriciens sur les fermions révise cette idée. Selon le degré d'intrication quantique entre les deux fermions avant leur libération et selon leur niveau d'énergie, ils peuvent agir comme des fermions ou comme des bosons.

"Cela ajoute une nouvelle étrangeté à la dualité particule-onde schizophrénique déjà établie, " a déclaré Landman.

"Une paire de photons (qui sont des bosons) volent au même endroit. Ils restent par paire, " Landman a dit. " Ce sont des animaux sociaux, et vous les trouvez soit dans un détecteur, soit dans l'autre. Nous appelons ce phénomène « regroupement ». »

Des trajectoires de vol étranges

On attend souvent des fermions qu'ils fassent le contraire, appelé anti-regroupement, mais selon l'étude, la façon dont ils volent dépend du fait qu'ils ont ou non une interaction effrayante et, si c'est le cas, si l'interaction est attrayante ou repoussante.

« S'ils interagissent, et en fonction du niveau d'énergie de départ, nous prédisons qu'ils peuvent faire des choses étranges quand ils volent, " Landman a dit. "C'est nouveau."

"Au niveau énergétique de base, appelé état fondamental, nos deux fermions qui interagissent avec une répulsion ultra-forte se comportent de manière fermionique, ce qui signifie qu'ils s'évitent. Maintenant, s'ils interagissent avec une forte attraction, ils s'agrègent comme le font les bosons, " Landman a dit. " Jusqu'à présent, tout comme prévu."

Mais augmenter le niveau d'énergie des particules piégées, ou excitation, via un laser supplémentaire ou un champ magnétique, semblerait augmenter l'étrangeté des particules. Les niveaux d'excitation peuvent déformer les règles de ce que les interactions font au vol d'un fermion, selon l'étude théorique.

Par exemple, le comportement fermionique mentionné ci-dessus généralement lié à une forte interaction répulsive pourrait devenir bosonique, selon les calculs des physiciens. En d'autres termes, les deux particules voleraient vers le même détecteur comme le font les bosons.

Schizophrénie quantique ordonnée

"Aussi fou que tout cela ait l'air, il semble y avoir une forte fiabilité dans ces comportements qui pourraient même être manipulés de manière prévisible et pratique, " a déclaré Landman.

Comme avec un lanceur qui affine le chemin d'un boulet, les physiciens pourraient déterminer le vol étrange d'un fermion en utilisant une formulation mécanique quantique, simulation informatique avancée, et l'expérimentation, dit l'étude.

"Il semble que vous puissiez même concevoir ce que fait cette étrangeté quantique, " Landman a dit. " Si vous connaissez les états des particules de manière fiable, vous pourrez peut-être les utiliser comme ressource pour les calculs quantiques et le stockage et la récupération d'informations."