全く同じ原子であっても、場所が違えば区別することができます。ジャーナル「Physical Review Letters」に掲載された国際共同研究の報告によると、彼らは、2 つの原子を互いに近づけることなく、位置を交換することで区別できなくする理論的な方法を発見しました。
同一原子の位置の波動関数が重なる
同じ数の核構成要素を持ち、同じ電子励起状態にある 2 つの原子は、完全に同一です。それらを区別する唯一の方法は、それらが存在する場所の違いによって異なります。しかし、それらを近づけたり、互いに衝突させたりすると、どの原子がどれだったのかを判断できなくなる可能性があります。物理学者は、最終的に粒子の位置を説明する個々の粒子の波動関数が大きく重なっていると言って、このようなプロセスを説明します。
最後に測定すると原子のアイデンティティが消去される可能性がある
インスブルックの物理学者らは、ドイツとカリフォルニア（米国）の同僚らとともに、2つの原子が互いに近づくことなくこのプロセスを実行できる方法を提案した。量子力学の法則によれば、個々の原子がいつでもどこにあるかを判断することが可能です。しかし、測定が原子の動きの終わりにのみ実行される場合、元のアイデンティティを決定することはできなくなり、いわば情報は削除されます。
基本的に、この奇妙な効果は単なる副産物です。 「私たちの目的は、粒子の波動関数の交換位相を直接測定できるようにするために、教科書的な実験を設計することでした」と、この研究の主著者である量子光学・量子情報研究所 (IQOQI) のクリスチャン・ルース氏は説明します。 ）オーストリア科学アカデミー（ÖAW）からAPAに。
位置交換により 2 つの粒子クラス間の違いが示される
交換位相は、2 つの同一の粒子の位置が交換されるときに発生する波動関数の特別な特性です。これは、2 つのクラスの粒子間の本質的な違いを示しています。2 つのフェルミオンが交換されるときの交換位相は負であり、波動関数全体が変化しますが、ボーソンの場合は正であり、波動関数は影響を受けません。
これは、複数のフェルミオンがすべて同じ状態をとることができないことを意味します。この例としては、利用可能な軌道上に分布する原子殻内の電子が挙げられます。一方、ボーソンはすべて同じ状態で存在し、低温でボース・アインシュタイン凝縮を形成することができます。粒子は本質的にそのアイデンティティを失い、足並みをそろえて移動します。交換段階は常に量子理論の不可欠な部分でしたが、これまでのところ直接的な証拠は得られていません。
すでに具体的な実験が計画されている
新しい理論的概念を実装するために、研究者らはすでに 2 つの具体的な実験を計画しています。 1 つはボン大学にあり、原子はチェス盤のように光格子内で異なる経路を歩くと考えられており、もう 1 つはインスブルックにあります。 「ここでは、一種のトラップに閉じ込められている 2 つの荷電原子を交換してみたいと考えています」と Roos 氏は説明します。 「2 つの原子間の反発力により、原子が互いに近づきすぎることがなくなります。」