Специалисты в сфере квантовой физики уже давно пытаются понять, что происходит с необычными частицами — примесями, — когда они оказываются среди множества других частиц. Одно из ключевых объяснений — модель квазичастиц. Согласно ей, одиночная частица движется сквозь «море» фермионов (к ним относятся электроны, протоны, нейтроны) и постоянно взаимодействует с окружением. При этом она увлекает за собой соседние частицы, образуя составной объект — фермиевский полярон. Хотя он ведет себя как единая частица, на самом деле это результат совместного движения примеси и ее окружения.
Совсем иная картина возникает при так называемой ортогональной катастрофе Андерсона. Она наблюдается, когда примесь настолько тяжелая, что практически не движется. Ее присутствие радикально меняет всю систему: волновые функции окружающих фермионов искажаются настолько сильно, что согласованное движение становится невозможным. В таких условиях квазичастицы, казалось бы, не могут образоваться.
До сих пор у физиков не было ясной теории, которая бы позволила связать эти два случая. Команда ученых из Гейдельбергского университета впервые объединила их в единую картину.
«Разработанная нами теоретическая модель объясняет, как квазичастицы возникают в системах с чрезвычайно тяжелой примесью, связывая две парадигмы, которые долгое время рассматривались отдельно», — говорит Ойген Дизер, аспирант группы теории квантовой материи.
Ключевое открытие состоит в том, что даже очень тяжелые примеси не остаются абсолютно неподвижными. Когда окружение подстраивается под них, частицы совершают крошечные движения. Эти незначительные смещения создают энергетическую щель, которая делает возможным образование квазичастиц даже в сильно коррелированной среде.
«Наше исследование не только является важным шагом в теоретическом понимании квантовых примесей, но и напрямую применимо к текущим экспериментам с ультрахолодными атомными газами, двумерными материалами и новыми полупроводниками», — отмечает руководитель группы профессор Рихард Шмидт.
Результаты работы могут повлиять на эксперименты в области квантовой материи и помочь в создании новых материалов с необычными свойствами.
Ранее исследование сверхтекучих жидкостей привело ученых к открытию феноменальной квантово-механической фазы, которая может проложить путь к сверхтвердым материалам.