在我们所处的三维空间中，粒子通常被清晰地分为两类：费米子和玻色子。然而，当我们进入低维空间时，这种划分变得模糊不清。在这些特殊维度中，存在一种名为任意子的准粒子，其性质介于费米子和玻色子之间。这种现象为物理学家提供了一个新的研究领域，揭示了粒子行为的另一面。
在传统的三维粒子物理学中，基本粒子通过其自旋的量子性质来分为费米子和玻色子。费米子的自旋值是半整数，如电子、质子和中子，而玻色子的自旋值则为整数，像光子和胶子。费米子不能在同一量子态中共存，这一现象也正是“泡利不相容原理”的体现。相比之下，玻色子则能够同时占据同一量子态，这也是光子能够自由穿透彼此的原因。
然而，这种在三维空间中的粒子划分在二维和一维空间中并不适用。在二维空间中，存在一种特殊的准粒子，称为“任意子”（anyon）。任意子的性质介于玻色子和费米子之间，具有不同的交换统计。在1960年代，物理学家就提出了这一概念，但直到2020年，科学家才在实验中观察到了任意子的存在。此次实验是在二维半导体材料中进行的，并成功证实了这种粒子的理论预测。对此，美国物理学家弗兰克·威尔切克表示，“玻色子和费米子已经被我们熟知，而现在，任意子为我们打开了新的一扇大门。”
此后，科学家们继续在这一领域取得进展，尤其是在低维空间中对任意子的探索。2020年，冲绳科学技术研究所（OIST）和俄克拉荷马大学的科学家们在一维空间中发现了任意子的存在，并在两篇《物理评论A》期刊上的论文中描述了其可调性和相关性质。这一研究为任意子的实验验证和理论发展提供了新的视角，揭示了在一维空间中粒子行为的独特性。
在研究中，科学家们发现，一维空间中粒子的运动受到了极大限制。这种限制使得粒子之间的交换因子（交换规则）与三维空间中的不同。在三维空间中，当两个粒子交换位置时，其交换因子通常是±1，分别代表玻色子和费米子的交换行为。然而，在二维和一维空间中，这一规则变得更加复杂，交换因子可以取介于-1和1之间的任何值，这使得任意子成为了可能。研究人员指出，这种现象的出现与粒子在低维空间中的局限性密切相关。
通过对这些新发现的粒子特性进行研究，科学家们不仅验证了任意子在一维空间中存在的可能性，还展示了如何调节这些粒子的交换统计特性。布什教授在新闻声明中表示：“我们不仅发现了在一维空间中存在任意子的可能性，还提出了如何控制它们交换统计的方法。这为我们理解量子世界的基本属性提供了新思路。”
这些研究表明，任意子作为第三类粒子，其存在和行为为我们深入理解粒子物理学提供了崭新的角度。它不仅挑战了我们对粒子分类的传统认知，也为未来的物理学研究提供了广阔的空间。随着对这一新类粒子性质的进一步探索，我们有理由期待它们为量子计算、物质科学以及基础物理学领域带来的革命性突破。
本文译自：popularmechanics，由olaola编辑发布