Физики из Гейдельбергского университета в Германии совершили прорыв, разработав теорию, которая объединяет две фундаментальные, но ранее считавшиеся несовместимыми концепции в квантовой физике. Их работа объясняет, как ведёт себя единичная частица, или "примесь", внутри сложной многочастичной системы, известной как "море Ферми". Это открытие позволяет по-новому взглянуть на формирование квазичастиц — коллективных возбуждений в системе многих взаимодействующих частиц, таких как фононы или дырки, которые упрощают описание сложных взаимодействий, — и может оказать серьёзное влияние на эксперименты в области квантовой материи.
Долгое время учёные спорили о двух противоположных сценариях. С одной стороны, лёгкая примесь, движущаяся среди множества других частиц, может "тащить" их за собой, образуя коллективное образование — квазичастицу, называемую поляроном Ферми. С другой стороны, если примесь очень тяжёлая и почти неподвижна, её присутствие кардинально меняет всю систему, вызывая так называемую "катастрофу ортогональности Андерсона". Этот квантово-механический эффект, возникающий в неупорядоченных системах, заключается в том, что волновая функция добавленной частицы становится практически ортогональной волновой функции основного состояния системы. Из-за этого состояния до и после добавления примеси почти не коррелируют, что, как считалось, делает невозможным "отслеживание" возбуждения как отдельного стабильного объекта и разрушает квазичастичное описание.
Новая теоретическая модель, созданная группой под руководством профессора Рихарда Шмидта, успешно связывает эти два крайних случая. Ключевое открытие заключается в том, что даже сверхтяжёлые примеси не являются абсолютно статичными. Они совершают микроскопические движения, когда окружающая среда подстраивается под них. Эти крошечные сдвиги создают необходимую энергетическую щель, которая делает возможным формирование квазичастиц даже в таких условиях, преодолевая ранее казавшееся непреодолимым препятствие.
Это достижение имеет далеко идущие практические последствия. Как отмечает профессор Шмидт, разработанный гибкий теоретический инструмент можно применять в системах разной размерности и с разными типами взаимодействий. Он напрямую полезен для современных экспериментов с ультрахолодными атомными газами, двумерными материалами (вроде графена) и новыми полупроводниками, помогая интерпретировать наблюдаемые квантовые состояния.
Исследование было проведено в рамках передовых научных программ Гейдельбергского университета — кластера передового опыта STRUCTURES и совместного исследовательского центра ISOQUANT. Результаты работы, возглавляемой докторантом Эугеном Дизером, были опубликованы в престижном научном журнале Physical Review Letters, открывая новую страницу в понимании сильно взаимодействующих квантовых систем.
Источник: Physicists solve a quantum mystery that stumped scientists for decades