Un système quantique constitué d’un grand nombre de particules microscopiques obéit à des lois statistiques au niveau macroscopique. Dans la nature, il existe deux types de particules quantiques microscopiques. L’un est le boson satisfaisant les statistiques de Bose-Einstein, et l’autre est le fermion satisfaisant les statistiques de Fermi-Dirac.
Cependant, pour les systèmes quantiques en interaction, ces deux types de statistiques ne sont pas les seules formes de statistiques quantiques. Par exemple, des statistiques anyoniques peuvent apparaître dans les électrons bidimensionnels (2D). En 1991, le lauréat du prix Nobel de physique FDM Haldane a proposé un nouveau concept de statistiques d’exclusion fractionnaire (FES), qui est une distribution statistique généralisée, les distributions de Bose et de Fermi étant ses deux cas limites. En 1994, le physicien Yongshi Wu et d’autres ont étudié les propriétés thermodynamiques des systèmes satisfaisant FES. Par la suite, la théorie du FES a été utilisée pour effectuer des études théoriques sur l’effet Hall fractionnaire, les gaz quantiques, les modèles de spin, les anyons et de nombreux autres problèmes quantiques à plusieurs corps. Cependant, l’observation de la FES dans des expériences réalistes reste encore difficile et rare.
Les gaz de Bose unidimensionnels avec interaction répulsive sont devenus une plate-forme importante pour l’étude expérimentale de la physique quantique à plusieurs corps ces dernières années. Il a été démontré théoriquement que ces gaz satisfont les FES mutuels dans l’espace de quasi-impulsion. Cependant, les couplages entre différents quasi-instants rendent très difficile l’obtention d’une relation directe entre les grandeurs physiques mesurables et le paramètre statistique.
Récemment, Xibo Zhang et ses collègues ont découvert que pour les gaz de Bose quantiques 1D et 2D dans le régime critique quantique, les couplages entre les quasi-impulsions deviennent plutôt locaux et un FES simple et non mutuel émerge. Ils ont établi une correspondance simple entre la force d’interaction et le paramètre statistique. Sur la base de calculs théoriques, de simulations quantiques numériques de Monte Carlo et de mesures expérimentales, les chercheurs ont confirmé que l’entropie critique par particule et d’autres quantités thermodynamiques sont déterminées par celles des particules sans interaction obéissant au FES.
Cette étude fournit non seulement une image physique simple avec des preuves théoriques, numériques et expérimentales de l’émergence du FES dans les systèmes quantiques en interaction, mais offre également de nouvelles perspectives et une nouvelle méthode pour comprendre le comportement critique des systèmes quantiques à plusieurs corps plus complexes. , comme les gaz quantiques avec des symétries SU(N), etc.
La recherche a été publiée dans Examen scientifique national.
Xibo Zhang et al, Statistiques de rupture de symétrie particule-trou induites par l’interaction et d’exclusion fractionnaire, Examen scientifique national (2022). DOI : 10.1093/nsr/nwac027