物理学家可能刚刚揭开了量子世界隐秘的一面。几十年来，所有已知粒子都被认为属于两大类别之一——玻色子或费米子，但研究人员现已表明，被称为“任意子”（anyons）的奇异“中间态”粒子也可能存在于一维系统中。更令人兴奋的是，这些奇异粒子或许是可调节的，这使得科学家能够以前所未有的方式调控其行为。
这种简单的划分在低维系统中开始失效。自1970年代以来，科学家就预测存在第三种粒子，称为“任意子”（anyon），它介于玻色子和费米子之间。2020年，研究人员在超冷、强磁场、单原子厚度（即二维）半导体的边界处实验观测到了这些不寻常的粒子。
现在，来自冲绳科学技术大学院大学（OIST）和俄克拉荷马大学的科学家们进一步推进了这一想法。在发表在《物理评论A》（Physical Review A）上的两篇论文中，该团队确定了一个能够支持任意子的一维系统，并研究了这些粒子的理论行为。
近期在控制超冷原子系统内单个粒子方面的进展，也可能使这些想法在真实的实验室实验中变得可验证。
“我们宇宙中的每一个粒子似乎都严格归入两类：玻色子或费米子。为什么没有其他的呢？”OIST量子系统单元的Thomas Busch教授问道，“通过这些工作，我们现在开启了加深对量子世界基本属性理解的大门，看到理论和实验物理将把我们带向何方非常令人兴奋。”
量子粒子为何分为两类
玻色子和费米子之间的区别源于两个全同粒子交换位置时发生的情况。在三维空间中，实验表明只有两种结果。要么系统保持不变，这是玻色子的行为；要么系统符号翻转，这是费米子发生的情况。似乎不存在其他可能性。
这种行为与量子物理学最重要的原理之一有关：不可区分性。在日常生活中，两个相同的物体仍然可以被区分开来。例如，如果两个弹珠被漆成不同的颜色，你可以追踪哪一个移动到了哪里。量子粒子不是这样工作的。
如果两个全同粒子（如电子）的所有量子属性都匹配，它们就无法被单独标记。交换它们会产生一个在物理上与原始状态不可区分的状态，这意味着系统的可测量属性必须保持不变。
OIST该单元的博士生Raúl Hidalgo-Sacoto解释说：“因为这种交换等同于什么都没做，所以控制该事件的数学统计量（称为交换因子）必须遵守一个简单的规则：交换因子的平方必须等于1。满足这一规则的只有两个数：+1和-1。这就是为什么所有粒子必须分别是玻色子（其因子为1）或费米子（其因子为-1）。”
这两类粒子家族的行为截然不同。玻色子天生聚集在一起并表现出集体行为。激光就是一个例子，相同波长（颜色）的光子同步移动。玻色-爱因斯坦凝聚态是另一个例子，其中超冷原子占据相同的量子态。
费米子的行为则截然相反。电子、质子和中子抗拒共享同一状态。这一属性是元素周期表包含如此多不同元素的原因之一。
低维如何改变量子规则
如果大自然在三维空间中只允许存在两种类型的粒子，为什么低维空间可以产生不同的东西？
答案在于粒子如何相互绕行。在低维系统中，粒子可用的路径更少。当它们交换位置时，它们的轨迹在时空中编织在一起。与三维空间不同，这些路径事后无法简单地解开。因此，交换后的状态不再等同于原始状态。
Hidalgo-Sacoto继续说道：“在低维空间中，这种交换不再在拓扑上等同于无操作。为了满足不可区分性定律，我们需要连续范围内的交换因子来说明这种交换，这取决于路径的具体扭转和曲折。”
这为任意子打开了大门，这类粒子的交换因子可以取+1或-1以外的值。换句话说，它们既不是纯粹的玻色子，也不是纯粹的费米子。
一维中的可调任意子
在新发表的研究中，研究人员证明，即使在一维系统中，玻色子与费米子的界限依然被打破。他们还发现了一些特别有趣的事情：一维系统中的交换因子可以直接调节。
在一维空间中，粒子无法互相绕行来交换位置。相反，它们必须直接穿过彼此。据研究人员称，与更高维度相比，这从根本上改变了交换行为。
研究表明，这些系统中的交换因子与粒子短程相互作用的强度有关。这意味着科学家可能可以在实验中微调交换统计，从而为探索广泛的新量子现象创造机会。
“我们不仅确定了一维任意子存在的可能性，还展示了如何描绘其交换统计，令人兴奋的是，还展示了如何通过其动量分布来观察其性质，”Busch教授总结道，“进行这些观测所需的实验装置已经存在。我们很高兴看到这一领域未来的发现，以及它能告诉我们关于我们宇宙基本物理学的什么内容。”