Dans le manuel de mécanique quantique, il est dit que les bosons et les fermions, deux types de particules élémentaires qui construisent l'univers, se comporter d'une manière radicalement différente. Par exemple, les bosons peuvent partager le même état quantique tandis que les fermions du même type ne peuvent que remplir les états quantiques disponibles un par un.

Néanmoins, les développements modernes de la physique de la matière condensée et de la physique des hautes énergies ont suggéré que la frontière entre les bosons et les fermions peut être floue. Un de ces exemples est un gaz de fermions multi-saveurs, chacun identifié par un spin différent, dans lequel deux saveurs interagissent entre elles par la même interaction. On s'attend à ce que les fermions multi-saveurs avec une telle symétrie SU(N) se comportent comme un ensemble de bosons sans spin lorsque le nombre de spins différents dans le système devient très grand. Les chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) et de l'université Purdue utilisent la simulation quantique pour explorer un tel phénomène de «bosonisation» avec des fermions ultrafroids en trois dimensions.

La bosonisation a été explorée - théoriquement et expérimentalement - dans des systèmes unidimensionnels. Mais on ne sait pas si la bosonisation se produit dans les systèmes de dimension supérieure, en grande partie parce que les solutions exactes du système à plusieurs corps en interaction sont inconnues. Ici, les chercheurs montrent, pour la première fois, qu'il se produit dans les systèmes tridimensionnels en mesurant les contacts à deux corps, la grandeur centrale régissant toutes les grandeurs thermodynamiques des gaz quantiques dilués allant de l'énergie à la pression. La preuve de la bosonisation dans les contacts démontre ainsi que toutes les autres grandeurs thermodynamiques se rapprochent également de celles des bosons.

Au cours de l'expérimentation, les chercheurs contrôlent le nombre de spins de fermions de 1 à 6, et surveiller comment le contact des fermions se rapproche de celui des bosons.

Gyu-Boong Jo, Professeur agrégé de physique à HKUST, l'un des responsables de l'équipe de recherche, mentionné, "Notre observation expérimentale confirme que les fermions multi-saveurs peuvent bosoniser avec le nombre croissant de spins en trois dimensions. Il est remarquable de simuler quantiquement un type particulier de systèmes fermioniques difficiles à réaliser dans les solides et de répondre à une question ouverte".

Ce travail a démontré une méthode de surveillance des contacts comme nouvel outil pour explorer la matière quantique et ses symétries sous-jacentes. En particulier, cela ouvre la voie à l'étude précise des fermions symétriques SU(N), dans laquelle des fermions non identiques interagissent de manière identique, qui ne sont pas facilement disponibles dans des matériaux réels.