Im herkömmlichen dreidimensionalen Raum gehören Teilchen zu einer von zwei Kategorien: Fermionen oder Bosonen. In niedrigdimensionalen Umgebungen ermöglicht die Quantenmechanik jedoch exotischere Verhaltensweisen. Hier können Anyonen entstehen – Quasiteilchen, die kontinuierlich zwischen Bosonen und Fermionen interpolieren. Die Detektion und Konstruktion solcher Teilchen in einer Dimension ist seit langem eine zentrale Herausforderung, die in der Regel seitens der Theorie komplexe Streuschemata oder dichteabhängige Tunnelprozesse erfordert.
Eine neue Studie von zwei Arbeitsgruppen um Hanns-Christoph Nägerl an der Universität Innsbruck und um Nathan Goldman von der Université Libre de Bruxelles und dem Collège de France (CNRS) stellt nun einen bemerkenswert einfachen, aber leistungsstarken Ansatz vor. Die Forscher schlagen ein effektives „Swap“-Modell vor, das sich den Spin-Freiheitsgrad ultrakalter Atome zunutze macht. Durch die Zuweisung einer komplexen Phase zum Austausch – oder „Swap“ – zweier Spins erhält das System auf natürliche Weise das für Anyonen charakteristische fraktionale statistische Verhalten.
Das Team zeigt, dass sich dieser Mechanismus direkt auf die Ein-Körper-Korrelationen einer einzelnen Spin-Komponente auswirkt. Diese Korrelationen offenbaren die für eindimensionale Anyonen vorhergesagten asymmetrischen Impulsverteilungen – Signaturen, die in herkömmlichen bosonischen Observablen verborgen blieben. Das Modell erfasst die Essenz der jüngsten experimentellen Beobachtungen der Anyonisierung in ultrakalten Gasen und bietet einen Weg zur Umsetzung und Untersuchung solcher Phänomene in aktuellen Laboraufbauten.
„Durch den Fokus auf die zentrale Rolle von Spinaustauschprozessen eröffnet diese Arbeit neue Perspektiven für die Erforschung der Vielteilchenphysik von Anyonen und vertieft unser Verständnis des exotischen Quantenverhaltens in niedrigdimensionalen Systemen“, resümiert Hanns-Christoph Nägerl.
Publikation: Anyonization of bosons in one dimension: an effective swap model. Botao Wang, Amit Vashisht, Yanliang Guo, Sudipta Dhar, Manuele Landini, Hanns-Christoph Nägerl, Nathan Goldman. Phys. Rev. Lett. 2025. DOI: 10.1103/2np8-mp39