左圖：粒子以玻色子的形式開始，在撞擊0-π之前，它們一起左右移動（實線）；邊界，其中部分反射（實線）和部分分割（虛線）。每分裂一次，就有一個粒子逃出玻色子區。右圖：從偽費米子開始，粒子以兩種方式“疊加”運動：一種是，它們像普通費米子一樣迅速分開，直接穿過π-0邊界（虛線）；另一方面，它們被束縛在一起，移動非常緩慢，永遠被困在費米子區域（實線）。
在基本粒子的世界裡，你要麼是費米子，要麼是玻色子，但劍橋大學的一項新研究首次表明，當一個粒子從一個地方移動到另一個地方時，一個粒子可以表現得像另一個粒子。
卡文迪什實驗室的研究人員模擬了一個由相同粒子組成的量子行走模型，這種粒子可以透過簡單地跳過一維晶格中的疇壁來改變其基本特性。
他們的發現發表在物理複習研究，打開了一扇在量子世界中設計和控制新的集體運動的視窗。
大家都知道基本粒子分成兩組：費米子（“物質粒子”）或玻色子（“力載體”），這取決於兩個粒子交換時它們的狀態如何受到影響。這種“交換統計”強烈影響了它們的行為，費米子（電子）產生元素週期表，玻色子（光子）導致電磁輻射、能量和光。
在這項新的研究中理論物理學家透過施加一個空間變化的有效磁場顆粒密度，可以在一個區域誘導相同的粒子表現為玻色子而在另一個區域表現為（偽）費米子。分隔這些區域的邊界對每一個粒子都是看不見的，然而，它們卻顯著地改變了它們的集體運動，導致了一些引人注目的現象，例如粒子被困住或分裂成許多波包。
“我們所看到的一切都是由玻色子或費米子組成的。這兩個群體的行為和運動完全不同：玻色子試圖聚集在一起，而費米子則試圖保持分離，”第一作者Liam L.H.Lau解釋道，他在卡文迪什實驗室進行了這項研究，現在是羅格斯大學的研究生。
“我們要問的問題是，如果粒子在一維晶格上移動時會改變它們的特性，我們對空間的概念。”
這項研究的部分動機是，在實驗室裡能夠控制粒子的性質。我們發現，在“兩個粒子之間，特別是在粒子和玻色子之間，我們可以用它們來建立強大的量子激發子”。但是，在迄今為止的所有設定中，粒子的性質是固定的，不能在空間或時間上改變。
透過分析數學模型，本研究展示瞭如何在同一物理系統中並置玻色子、費米子甚至“任意子”空間域，並探討了兩個粒子如何以驚人的方式穿過這些不同的區域。
“分隔這些區域的邊界是非常特殊的，因為它們對單個粒子是透明的，但是，它們透過反射或傳輸兩個到達一起的粒子來控制最終的分佈。”劉說。研究人員透過研究空間域的不同排列來說明這種“多體”效應，這些空間域導致兩個粒子的集體運動明顯不同。
“這些可變的雙粒子干涉本身就很吸引人，但它們為許多粒子帶來的新問題更令人興奮，”該研究的合著者Shovan Dutta博士說，他構思並監督了卡文迪什研究所的研究，最近已轉到馬克斯普朗克複雜系統物理研究所工作。
“我們的工作建立在工程人工磁場的最新進展上中性原子Dutta補充道：“這些預測可以在現有的光學晶格裝置中進行實驗測試。”這將開啟一個豐富的可控多粒子動力學和潛在的技術應用，包括在量子感測。"
