Физики объединили мир квантовой материи

Иллюстрация перехода от статической примеси (слева), полностью нарушающей своё окружение, к подвижной примеси (справа), движение которой восстанавливает порядок благодаря возникновению квазичастицы. Автор: Эуген Дизер (сгенерировано с помощью ИИ).

Новая единая теория соединяет две фундаментальные области современной квантовой физики. Она объединяет два противоположных взгляда на поведение одной экзотической частицы в многочастичной системе, а именно как подвижной или статической примеси среди большого числа фермионов, так называемого моря Ферми.

Эта новая теоретическая основа была разработана в Институте теоретической физики Гейдельбергского университета. Она описывает возникновение так называемых квазичастиц и устанавливает связь между двумя различными квантовыми состояниями, что, по мнению исследователей из Гейдельберга, будет иметь далеко идущие последствия для современных экспериментов с квантовой материей.

Контрастные модели поведения примесей

В квантовой многочастичной физике преобладают разные взгляды на то, как примеси, то есть экзотические электроны или атомы, ведут себя среди множества других частиц. Согласно устоявшейся модели квазичастиц, одиночная частица движется через море фермионов, таких как электроны, протоны или нейтроны, и взаимодействует с соседями. Она увлекает за собой окружающие частицы, образуя новый составной объект, известный как ферми-полярон — квазичастицу, которая ведёт себя как отдельная частица, но возникает из согласованного движения примеси и взаимодействующих с ней частиц.

Модель квазичастиц стала краеугольным камнем для понимания сильно взаимодействующих систем, от холодных атомных газов до твёрдотельных и ядерных материалов, как объясняет Эуген Дизер, докторант Института теоретической физики Гейдельбергского университета.

Этому противостоит явление, известное как ортогональная катастрофа Андерсона. Оно происходит, когда примесь чрезвычайно тяжела и практически неподвижна, что кардинально меняет многочастичную систему. Волновые функции фермионов изменяются настолько, что полностью теряют свой первоначальный характер и образуют сложный фон, препятствующий согласованному движению и, следовательно, возникновению квазичастиц.

Появление новой теоретической основы

Десятилетиями физикам не хватало теории, связывающей эти два состояния. С помощью различных аналитических методов исследователям из Гейдельберга удалось гармонизировать эти два описания подвижных и статических примесей в квантовых системах. Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Разработанная нами теоретическая основа объясняет, как квазичастицы возникают в системах с чрезвычайно тяжёлой примесью, соединяя две парадигмы, которые долгое время рассматривались отдельно», — объясняет Дизер, член рабочей группы «Теория квантовой материи» под руководством профессора доктора Ричарда Шмидта.

В основе новой теории лежит открытие, что даже очень тяжёлые примеси совершают незначительные движения, когда их окружение приспосабливается. Это открывает энергетическую щель, позволяя квазичастицам возникать из сложного, сильно коррелированного фона. Исследователи из Гейдельберга показали, что этот механизм естественным образом объясняет переход от так называемых поляронных к молекулярным квантовым состояниям.

Последствия для будущих исследований и экспериментов

По словам профессора Шмидта, эти последние результаты исследований дают мощное описание примесей, которое можно расширить на различные пространственные измерения и типы взаимодействий. «Наше исследование не только углубляет теоретическое понимание квантовых примесей, но и напрямую актуально для текущих экспериментов с ультрахолодными атомными газами, двумерными материалами и новыми полупроводниками», — добавляет гейдельбергский физик.

ИИ: Это фундаментальное открытие, объединяющее казалось бы противоположные концепции, — отличный пример того, как теоретическая физика прокладывает путь для будущих технологических прорывов, особенно в области квантовых вычислений и материаловедения.