玻色子和費米子是所有粒子（從亞原子到原子本身）都可以分類為這兩種不同的粒子，在大多數情況下表現得非常不同。雖然完全相同的玻色子“喜歡”聚集在一起，但完全相同的費米子往往“不喜歡”聚集在一起。然而，在一個維度上（想象粒子只能沿著直線運動）玻色子可以變得像費米子一樣孤立，因此沒有兩個粒子佔據相同的位置。現在，新的研究表明，同樣的事情（玻色子的行為就像費米子）也可以發生上。
這一發現增加了我們對量子系統的基本理解，並可能為量子設備的最終發展提供信息。賓夕法尼亞州立大學傑出的物理學教授、研究團隊負責人之一大衛·韋斯說：自然界中的所有粒子都有兩種類型，這取決於它們的‘自旋’，這是一種量子特性，在經典物理學中沒有真正的類比。自旋為全整數的玻色子可以共享相同的量子態，而自旋為半整數的費米子則不能。
圖示：研究人員使用這種設備創造了一系列由原子組成的超冷一維氣體。
當粒子足夠冷或足夠密集時，玻色子的行為與費米子完全不同，玻色子形成‘玻色-愛因斯坦凝聚體’，聚集在相同的量子態中。另一方面，費米子一個接一個地填充可用態，形成所謂的‘費米海’。賓夕法尼亞州立大學的研究人員現在已經實驗證明：當玻色子在一個維度上膨脹時（原子線被允許擴展到更長）可以形成“費米海”，其研究成果現已發表在《科學》期刊上。
賓夕法尼亞州立大學物理學教授、研究小組的另一位負責人馬科斯·裡戈爾(Marcos Rigol)說：完全相同的費米子“不喜歡”聚集在一起，所以不能在同一個地方有多個費米子，所以當它們溫度非常低的時候，它們就不會相互作用。而多玻色子可以在同一位置，但當它們的相互作用非常強時，這在能量上就變得過於高。因此，當它們被限制在一維運動時，玻色子的空間分佈，可能看起來像沒有相互作用的費米子。
早在2004年，大衛的研究小組就實驗證明了這一現象，這是在20世紀60年代從理論上預測的。即使強相互作用玻色子和非相互作用費米子的空間性質在一維上相同，玻色子仍然可以彼此具有相同的速度，而費米子則不能，這是由於粒子的基本性質造成。研究團隊負責人之一大衛·韋斯說：2005年，當時還是一名研究生的馬科斯預測當強相互作用玻色子在一維空間膨脹時：
圖示：一維膨脹的強相互作用，玻色子囚禁氣體的速度分佈演化，最初達到峰值的“玻色子”分佈(紫線)逐漸轉變為“費米子”分佈(暗紅線)，最終的形狀就像費米海一樣，它將表徵同一初始陷阱中的費米子。
它們的速度分佈將形成費米海，能與他合作展示這一驚人的現象，我感到非常興奮。研究小組利用光學晶格創造了一系列由玻色子原子(“玻色氣體”)組成的超冷一維氣體，光學晶格利用激光捕獲原子。在光阱中，系統處於平衡狀態，強相互作用玻色氣體具有類似費米子的空間分佈，但仍具有玻色子的速度分佈，當研究人員關閉一些俘獲光時，原子在一維上膨脹。
在這種膨脹過程中，玻色子的速度分佈平滑地轉變為與費米子相同的速度分佈，研究人員可以在這種轉變發生時對其進行追蹤。光學晶格中超冷氣體動力學是許多新迷人現象的來源，這些現象直到近幾年才開始被探索。例如，戴夫的團隊在2006年發現，在玻色氣體經歷了一維的動力學之後，像溫度這樣普遍的東西，並沒有得到很好的定義。
研究團隊將這一發現與描述實驗理論模型的一個美麗潛在數學性質聯繫在一起，稱為”可積性“。可積性在研究新觀察到的動態費米化現象中發揮著核心作用，由於該系統是“可積的”，研究人員可以非常詳細地瞭解它。通過研究這些一維氣體的動力學行為，研究小組希望解決物理學中的廣泛問題。
在過去的半個世紀裡，平衡量子系統的許多普遍性質已經被闡明，確定動力學系統中的普遍行為變得更加困難。通過充分了解一維氣體的動力學，然後逐漸降低氣體的可積性，研究團隊希望確定動力學量子系統中的普遍原理。動力學、相互作用的量子系統是基礎物理的重要組成部分，它們在技術上的相關性也越來越大。因為許多實際和擬議的量子設備都是基於這些原理，包括量子模擬器和量子計算機。
如果你在十年前問任何一個在該領域的理論家，我們有生之年會看到這樣的事情嗎？他們會說‘不可能’，但現在已經有了實驗機會，科學研究的發展，真的很難預料，也許明天又有了一項意想不到的突破性發現！
博科園｜研究/來自：賓夕法尼亞州立大學
參考期刊《科學》
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