Ученые-физики разработали новую теорию, которая примиряет две важнейшие области современной квантовой физики. Работа объясняет, как одна необычная частица ведет себя внутри плотной квантовой среды, известной как многочастичная система. В таком окружении частица может выступать либо как свободно движущийся объект, либо как почти неподвижный, но при этом кардинально меняющий свое окружение. Исследователи из Института теоретической физики Гейдельбергского университета создали концепцию, которая объясняет формирование так называемых квазичастиц и связывает два ранее считавшихся несовместимыми квантовых состояния. По их словам, результаты могут серьезно повлиять на текущие эксперименты в области квантовой материи.
В квантовой физике давно велись споры о поведении «примесей» – необычных электронов или атомов – в окружении большого числа других частиц. Одно из популярных объяснений описывается моделью квазичастиц. Согласно ей, отдельная частица, двигаясь сквозь «море» других частиц-фермионов (таких как электроны или протоны), постоянно с ними взаимодействует. В процессе движения она увлекает за собой ближайшее окружение, создавая составной объект, который назвали фермионным поляроном. Хотя он ведет себя как единая частица, по сути это коллективное явление. «Эта идея стала центральной для понимания сильно взаимодействующих систем – от сверххолодных газов до твердотельных материалов и ядерной материи», – отмечает Ойген Дицер, аспирант Гейдельбергского университета.
Совершенно иной сценарий разворачивается в явлении, известном как ортогональная катастрофа Андерсона. Она происходит, когда примесная частица настолько тяжела, что практически не двигается. Само ее присутствие драматически меняет окружающую систему. Состояния соседних фермионов изменяются так сильно, что их скоординированное движение становится невозможным. В таких условиях квазичастицы образоваться не могут. До недавнего времени у физиков не было четкой теории, которая бы связывала этот крайний случай с моделью подвижной примеси. Применив ряд аналитических инструментов, команда из Гейдельберга сумела объединить оба описания в единую структуру.
«Разработанная нами теоретическая основа объясняет, как возникают квазичастицы в системах с чрезвычайно тяжелой примесью, соединяя две парадигмы, которые долгое время рассматривались отдельно», – объясняет Ойген Дицер. Ключевая идея теории заключается в том, что даже очень тяжелые примеси не являются абсолютно неподвижными. В ответ на изменения в окружении они совершают крошечные смещения. Эти незначительные движения создают энергетическую щель, которая и делает возможным формирование квазичастиц даже в сильно искаженной среде. Исследователи также показали, что этот процесс естественным образом объясняет переход от поляронных состояний к молекулярным квантовым состояниям.
По словам профессора Рихарда Шмидта, руководителя группы, новые результаты предлагают гибкий способ описания примесей, применимый к системам разной размерности и с разными типами взаимодействий. «Наше исследование не только продвигает теоретическое понимание квантовых примесей, но и имеет прямое отношение к текущим экспериментам со сверххолодными атомарными газами, двумерными материалами и новыми полупроводниками», – добавляет он. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
