Физики из Гейдельберга объединили две противоположные квантовые теории

Ученые объединили две противоположные квантовые теории, решив многолетнюю загадку и открыв новые возможности для понимания экзотической квантовой материи. Credit: AI/ScienceDaily.com

Физики из Гейдельбергского университета разработали новую теорию, которая объединяет два давно конкурирующих описания в квантовой физике. Работа предлагает единое объяснение того, как необычная частица ведет себя в плотной квантовой среде, известной как море Ферми. Исследование связывает два, казалось бы, противоположных описания одной примеси, движущейся сквозь большое скопление фермионов или остающейся почти неподвижной.

Новая теория, созданная в Институте теоретической физики Гейдельбергского университета, объясняет, как возникают квазичастицы, и связывает два ранее не связанных квантовых состояния. Команда исследователей считает, что это достижение может иметь важное значение для экспериментов по изучению квантовой материи.

Долгое время в квантовой физике многих тел использовались разные модели для объяснения того, как примеси, такие как экзотические электроны или атомы, взаимодействуют с окружающими частицами. Одна из устоявшихся картин основана на квазичастицах. В этой модели одиночная примесь движется сквозь море фермионов, включая электроны, протоны или нейтроны, взаимодействуя с соседними частицами. По мере движения она фактически увлекает за собой эти частицы, создавая комбинированный объект, называемый поляроном Ферми. Хотя эта квазичастица ведет себя как единая частица, на самом деле она возникает из коллективного движения примеси и окружающих ее частиц.

Совершенно иная картина возникает, когда примесь чрезвычайно тяжела и практически не может двигаться. В этой ситуации вступает в силу явление, называемое катастрофой ортогональности Андерсона. Вместо образования квазичастицы тяжелая примесь настолько сильно изменяет квантовую систему, что волновые функции окружающих фермионов теряют свою первоначальную форму. Возникающий сложный фон препятствует скоординированному движению, необходимому для существования квазичастиц.

В течение десятилетий физикам не хватало теории, которая могла бы объяснить, как эти два очень разных описания сочетаются друг с другом. Используя ряд аналитических методов, команда из Гейдельберга показала, как модели подвижной и почти неподвижной примеси могут быть объединены в единую теоретическую основу.

«Разработанная нами теоретическая основа объясняет, как квазичастицы возникают в системах с чрезвычайно тяжелой примесью, соединяя две парадигмы, которые долгое время рассматривались отдельно», — объясняет Ойген Дизер, докторант Института теоретической физики Гейдельбергского университета.

Исследователи обнаружили, что даже чрезвычайно тяжелые примеси не являются абсолютно неподвижными. По мере того как окружающая среда адаптируется, эти примеси все же испытывают незначительные смещения. Эти крошечные движения создают энергетическую щель, которая позволяет квазичастицам возникать из того, что в противном случае оставалось бы сильно коррелированным квантовым фоном. Новая теория также естественным образом объясняет, как квантовые системы переходят между так называемыми поляронными и молекулярными состояниями.

По словам профессора Рихарда Шмидта, новая теория представляет собой универсальный способ описания квантовых примесей в различных пространственных измерениях и при самых разных взаимодействиях.

«Наше исследование не только продвигает теоретическое понимание квантовых примесей, но и имеет прямое отношение к текущим экспериментам с ультрахолодными атомными газами, двумерными материалами и новыми полупроводниками», — добавляет физик из Гейдельберга.

Исследование проводилось в рамках Кластера передового опыта STRUCTURES и Совместного исследовательского центра ISOQUANT 1225 Гейдельбергского университета. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Источники: sciencedaily.com, Heidelberg University