En ny teoretisk studie vid Monash University har förbättrat vår förståelse för samspelet mellan kvant- och termiska fluktuationer (eller excitationer) i kvantämne.

Studien fann att en orenhet i ett Bose-Einstein-kondensat (BEC) uppvisar ett spännande energispektrum när dess temperatur höjs över noll kelvin, med grundtillståndets kvasipartikel som delas upp i ett antal grenar som beror på interaktionerna med det termiska molnet som omger BEC.

"Modelleringen visade att antalet kvasipartikelgrenar helt enkelt bestäms av antalet hål excitationer i det termiska molnet, "förklarar huvudförfattare, Bernard Field.

"Det är, inklusive upp till ett hål ger en delning, två hål ger två splittringar, och så vidare, säger Bernard, som är doktorand vid School of Physics and Astronomy vid Monash University.

Kalla atomgaser som en "perfekt testbädd"

Kalla atomgaser används för att studera effekterna av föroreningar kopplade till ett kvantmedium-ett scenario som är relevant för allt från fälteffekttransistorer till protons beteende i neutronstjärnor.

Kalla atomgaser ger ett särskilt rent och flexibelt system för att undersöka beteendet hos kvantföroreningar, låta interaktioner mellan föroreningar och medel varieras från svag till stark koppling och avslöja hur orenheten blir "klädd" av exciteringar av mediet.

Specifikt, den nya studien fokuserar på föroreningar i en BEC, kallas en Bose polaron.

Tidigare studier hade förutspått att energispektrumet för en Bose -polaron skulle dela sig i två jämna grenar med vilken temperaturökning som helst över noll kelvin.

Monash-studien fann att detta resultat är en följd av att man bara antar en enda partikelhåls excitation av mediet. När fler hål ingår, resultatet är mer splittring.

"Eftersom det kan finnas ett stort antal excitationer i ett verkligt system, vi förväntar oss att den faktiska Bose polaron kommer att framstå som en enda bred topp vid låga temperaturer, "förklarar A/Prof Meera församling.

"Dock, anmärkningsvärt finner vi att beteendet är fundamentalt annorlunda än vad man kan förvänta sig av standardteorier om kvantfluktuationer och kvantfasövergångar. "

Forskarna använder sig av en elegant variasionsmetod som inkluderar multikroppskorrelationer mellan orenheten och BEC, vilket går utöver det nuvarande toppmoderna inom området. Framför allt, deras teoretiska resultat för Bose-polaronets marktillstånd överensstämmer utmärkt med mer numeriskt intensiv kvantmodellering och med experiment.

Bose polarons öde vid begränsad temperatur publicerades i tidskriften Fysisk granskning A i januari 2020