Fyzici objevili částice, které jsou 'fénem i bosonem zároveň'

Ve světě kvantové fyziky platí zdánlivě jednoduchá pravidla. Všechny částice se dělí do dvou kategorií: férmiony (jako elektrony), které se vyhýbají sobě navzájem, a bosony (jako fotony), které se naopak rády sdružují na stejném místě. Tahle klasifikace fungovala více než sto let. Pak přišel leden 2025 a tým z Brown University publikoval v prestižním časopise Nature objev, který všechno komplikuje: částice, které jsou zároveň obojím. Nazývají je frakční excitony a jejich samotná existence naznačuje, že kvantový svět je ještě podivnější, než jsme si mysleli.

"Naše zjištění ukazují na úplně novou třídu kvantových částic, které nenesou celkový elektrický náboj, ale řídí se unikátní kvantovou statistikou," vysvětluje Jia Li, vedoucí týmu. Ale co to vlastně znamená? Tým vytvořil sendvičovou strukturu ze dvou atomárně tenkých vrstev grafenu oddělených krystalkem hexagonálního nitridu bóru. V této nano-struktuře dokázali vytvořit excitony – páry vzniklé spojením elektronu a "díry" (absence elektronu). Běžné excitony se chovají jako bosony. Ale když vědci začali měnit podmínky experimentu, objevili excitony s frakčním nábojem, které se chovaly... jinak. Měly vlastnosti obou skupin současně.

"Bylo to nečekané chování," přiznává Naiyuan Zhang, doktorand, který pracoval na měřeních. "Tyto frakční excitony měly frakční náboje, které jsme očekávali, ale jejich chování ukazovalo tendence jak férmionů, tak bosonů. Chovaly se jako hybrid." Částice, které by měly být bosony, se někdy odpuzovaly jako férmiony. Částice s frakčním nábojem – což samo o sobě je bizarní koncept – vykazovaly vlastnosti, které neodpovídají ani anyonům, třetí třídě exotických částic objevených před několika dekádami. Frakční excitony jsou prostě něčím novým, něčím, co naše současné teorie neumí plně vysvětlit.

Proč by nás to mělo zajímat? Kvantové počítače dnes trpí zásadním problémem: šumem. Kvantové bity (qubity) jsou extrémně citlivé na jakékoli rušení z okolního prostředí, což způsobuje chyby ve výpočtech. Frakční excitony díky svému hybridnímu chování vykazují nižší úroveň šumu. "Můžeme vytvořit systémy, které se tak snadno nezahlcují," vysvětluje Zhang. Pokud se podaří tyto částice stabilizovat a kontrolovat v praktických aplikacích, mohly by vést k revoluci v kvantových počítačích – zařízení odolnější vůči chybám, rychlejší, přesnější. Ale zatím jsme na začátku. Jeden ze spoluautorů studie to shrnul: "Otevřeli jsme dveře do místnosti, o které jsme nevěděli, že existuje. Teď musíme zjistit, co všechno se v ní nachází."