Квантовая система, состоящая из большого числа микроскопических частиц, подчиняется статистическим законам на макроскопическом уровне. В природе существует два вида микроскопических квантовых частиц. Один из них — бозон, удовлетворяющий статистике Бозе-Эйнштейна, а другой — фермион, удовлетворяющий статистике Ферми-Дирака.

Однако для взаимодействующих квантовых систем такие два типа статистики не являются единственными формами квантовой статистики. Например, анионная статистика может возникнуть в двумерных (2D) электронах. В 1991 году лауреат Нобелевской премии по физике Ф. Д. М. Холдейн предложил новую концепцию статистики частичного исключения (FES), которая представляет собой обобщенное статистическое распределение, двумя предельными случаями которого являются распределения Бозе и Ферми. В 1994 году физик Юнши Ву и другие изучали термодинамические свойства систем, удовлетворяющих требованиям FES. Впоследствии теория ФЭС использовалась для проведения теоретических исследований .по дробному эффекту Холла, квантовым газам, спиновым моделям, анионам и многим другим квантовым проблемам многих тел. Однако наблюдение ФЭС в реалистичных экспериментах по-прежнему остается сложной и редкой задачей.

Одномерные бозе-газы с отталкивающим взаимодействием в последние годы стали важной платформой для экспериментального изучения квантовой физики многих тел. Теоретически было показано, что такие газы удовлетворяют взаимным FES в квазиимпульсном пространстве. Однако связи между различными квазиимпульсами очень затрудняют получение прямой связи между измеримыми физическими величинами и параметром статистики.

Недавно Сибо Чжан и его коллеги обнаружили, что для одномерных и двумерных квантовых бозе-газов в квантовом критическом режиме связи между квазиимпульсами становятся довольно локальными, и возникает простая невзаимная ФЭС. Они установили простое соответствие между силой взаимодействия и параметром статистики. Основываясь на теоретических расчетах, численном квантовом моделировании методом Монте-Карло и экспериментальных измерениях, исследователи подтвердили, что критическая энтропия на частицу и другие термодинамические величины определяются энтропией невзаимодействующих частиц, подчиняющихся FES.

Это исследование не только дает простую физическую картину с теоретическими, численными и экспериментальными доказательствами возникновения ФЭС во взаимодействующих квантовых системах, но также открывает новые перспективы и новый метод для понимания критического поведения более сложных квантовых систем многих тел. , такие как квантовые газы с SU (N) симметриями и т. д.

Исследование было опубликовано в National Science Review.