(openPR) Im Gegensatz zu Fermionen und Bosonen, den beiden grundlegenden Teilchenarten in der Natur, weisen Anyonen einzigartige Quanteneigenschaften auf. Solche Teilchen sind selten zu beobachten, weil alle üblichen Elementarteilchen entweder Bosonen oder Fermionen sind. Anyonen, die nicht eigenständig existieren, sondern als Anregungen in Quantensystemen auftreten, wurden bisher nur in zweidimensionalen Systemen beobachtet. Ihr Nachweis in eindimensionalen Systemen blieb bis heute aus.
In einer aktuellen Studie untersuchten Forscher:innen der Universität Innsbruck, der Université Paris-Saclay, der Université Libre de Bruxelles und des Collège de France das Verhalten von Anyonen in einem eindimensionalen ultrakalten bosonischen Gas. Das Team um den Innsbrucker Wittgenstein-Preisträger Hanns-Christoph Nägerl vom Institut für Experimentalphysik führte gezielt eine Verunreinigung in der Form eines Fremdteilchens in ein stark wechselwirkendes bosonisches Gas ein und analysierte die Impulsverteilung. Ihre Ergebnisse zeigen, dass diese Verunreinigung das Entstehen von Anyonen im System ermöglicht.
„Wir konnten das Experiment so steuern, dass ein fließender Übergang zwischen bosonischem und fermionischem Verhalten zu beobachten war“, erklärt Sudipta Dhar, einer der Autoren der Studie. „Das schafft ganz neue Möglichkeiten, sehr kontrolliert exotische Quantenzustände zu erzeugen und zu untersuchen.“ Der theoretische Physiker Botao Wang ergänzt: „Unsere Modelle stimmen eng mit den experimentellen Daten überein und ermöglichen uns detaillierte Simulationen der exotischen Quasiteilchen.“
Das Experiment bietet eine ideale Plattform, um Anyonen in eindimensionalen Systemen zu untersuchen. Die Forschung konzentriert sich zwar in erster Linie auf die Grundlagenfragen, hat aber auch einen Bezug zu potenziellen Anwendungen. Bestimmte Arten von Anyonen werden als mögliche Rechen- und Speichereinheiten für topologische Quantencomputer gehandelt. Diese sind weniger fehleranfällig als andere Quantencomputer, weil sie die Quanteninformation in der topologischen Struktur der Materie statt in einzelnen Quantenbits speichern.
„Diese Arbeit hilft uns, das Verhalten von niederdimensionalen Quantensystemen besser zu verstehen“, sagt Hanns-Christoph Nägerl. „Sie bietet uns eine Grundlage für die weitere Erforschung dieser Systeme und ihrer Eigenschaften.“ Die Studie unterstreicht den Wert von ultrakalten Quantengasen als Plattform für die Untersuchung komplexer Quantenphänomene. Sie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF finanziell gefördert.
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Hanns-Christoph Nägerl
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-52420
E-Mail: 
https://quantummatter.at/
Originalpublikation:
Observing anyonization of bosons in a quantum gas. Sudipta Dhar, Botao Wang, Milena Horvath, Amit Vashisht, Yi Zeng, Mikhail B. Zvonarev, Nathan Goldman, Yanliang Guo, Manuele Landini, Hanns-Christoph Nägerl. Nature 2025 DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09016-9 [arXiv: https://arxiv.org/abs/2412.21131]
