Новая концепция объединяет две ключевые сферы квантовой физики, которые долгое время считались несовместимыми. Исследователи выяснили, как одна частица-примесь ведет себя в окружении множества других частиц, находящихся в так называемом море Ферми.
Эксперты в области квантовой физики долгое время стремились выяснить, как ведут себя необычные частицы — примеси, находясь среди большого количества других частиц. Одно из основных объяснений — модель квазичастиц. Согласно этой модели, отдельная частица перемещается сквозь «море» фермионов (включая электроны, протоны и нейтроны) и постоянно взаимодействует с окружающей средой. В процессе она притягивает к себе соседние частицы, формируя составной объект — фермиевский полярон. Несмотря на то что он функционирует как единая частица, на самом деле это результат совместного движения примеси и её окружения.
Совершенно иная ситуация возникает при так называемой ортогональной катастрофе Андерсона. Эта явление наблюдается, когда примесь настолько тяжелая, что практически не движется. Ее присутствие кардинально изменяет всю систему: волновые функции соседних фермионов искажаются так сильно, что согласованное движение становится невозможным. В таких обстоятельствах квазичастицы, казалось бы, не могут возникнуть.
До настоящего времени у физиков не было четкой теории, способной объединить эти два случая. Группа ученых из Гейдельбергского университета впервые связала их в единую концепцию.
«Созданная нами теоретическая модель демонстрирует, как квазичастицы возникают в системах с чрезвычайно тяжелой примесью, объединяя две парадигмы, которые долгое время рассматривались отдельно», — комментирует Ойген Дизер, аспирант группы теории квантовой материи.
Главное открытие заключается в том, что даже самые тяжелые примеси не остаются полностью неподвижными. Когда окружение адаптируется к ним, частицы совершают незначительные движения. Эти малые смещения создают энергетическую щель, которая позволяет образовываться квазичастицам даже в сильно коррелированной среде.
«Наше исследование представляет собой не только важный шаг в теоретическом понимании квантовых примесей, но и может быть непосредственно применимо в современных экспериментах с ультрахолодными атомными газами, двумерными материалами и новыми полупроводниками», — подчеркивает руководитель группы профессор Рихард Шмидт.
Результаты работы могут оказать влияние на эксперименты в области квантовой материи и способствовать разработке новых материалов с необычными свойствами.
Исследование сверхтекучих жидкостей привело ученых к открытию удивительной квантово-механической фазы, которая может открыть путь к созданию сверхтвердых материалов.
Фото: hi-tech.mail.ru