Fysiker som studerar kvantfysik för många kroppar når mycket sällan exakta lösningar eller slutsatser, särskilt i mer än en dimension. Detta gäller också för Fermi-polaronproblemet, som beskriver fall där kvantbakgrunden med många kroppar är en icke-interagerande Fermi-gas.

Problemet med Fermi polaron har studerats omfattande under det senaste decenniet eller så. Men att förutsäga kvasipartikelegenskaperna hos Fermi-polaroner med höga nivåer av förtroende har hittills visat sig vara mycket utmanande.

Forskare vid Swinburne University of Technology introducerade nyligen en modell som kan användas för att förutsäga de exakta kvasipartikelegenskaperna hos en tung polaron i Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Fermi-superfluider. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , introducerar en teoretisk, exakt lösning för ett system med många kroppar, som så småningom skulle kunna testas och realiseras i experimentella miljöer.

Den senaste studien bygger på en av teamets tidigare artiklar publicerade i Physical Review A . Detta tidigare arbete fokuserade specifikt på crossover-polaroner med en mobil förorening.

"Vårt tidigare arbete och många andra teoretiska studier av polaroner som använder olika approximationsmetoder ger några universella egenskaper (som förekomsten av attraktiva/avstötande polaroner och ett mörkt kontinuum)," sa Jia Wang, en av forskarna som genomförde studien, Phys.org. "Vi tror att undertryckandet av multipla kvasipartikelexcitationer i bakgrundsmediet är mekanismen bakom dessa egenskaper."

Wang och hans kollegor tror att mekanismen som ligger till grund för de universella egenskaperna hos Fermi-polaroner antingen kan vara rekylenergin hos en mobil förorening eller förekomsten av ett energigap i en supervätska. För att deras hypotes skulle vara verifierbar i en experimentell miljö var de dock först tvungna att representera den teoretiskt.

"Vi kom över ett fascinerande dokument, som studerade orörliga föroreningar i icke-interagerande Fermi-gaser," sa Wang. "Denna modell är exakt lösbar med hjälp av en 'funktionell bestämningsmetod (FDA)'-metod. Men polaroner existerar inte i sådana system på grund av den berömda 'Andersons ortogonalitetskatastrof'. I huvudsak beror detta på att orörlig orenhet inte har rekylenergi, och förekomsten av multipla partikelhålsexcitationer förstör polaronresonansen."

I många-kroppssystemet som beskrivs av Wang och hans kollegor, kan närvaron av ett superfluidgap undertrycka polaronens multipla partikelhålsexcitationer. Därför bestämde de sig för att utöka FDA-metoden, som vanligtvis inte är tillämplig på Fermi-polaroner, till deras BCS-superfluidsystem.

"Vi ville också experimentellt undersöka Fermi superfluid excitationer, som har varit ett långvarigt forskningsämne," förklarade Wang. "Flera experiment har nyligen insett att man introducerar en annan art av atomer, som kan spela rollen som föroreningar, i en BCS-superfluid. Våra förutsägelser visar att man i dessa tillgängliga system kan använda polaronspektrumet av föroreningar för att mäta egenskaper hos bakgrundssuperfluidexcitationen spektrum (som superfluidgapet och subgapet Yu-Shiba-Rusinov-staten)."

Medan de beräkningar som Wang och hans kollegor utförde tekniskt sett antar orörlig förorening i ett system, ger de också en bra approximation av tunga föroreningar. Alternativt, i experimentella miljöer, bör fysiker kunna lokalisera föroreningar med hjälp av ett djupt optiskt gitter.

"Vår var en teoretisk studie," förklarade Wang. "Vår modell betraktar ett system av orörlig förorening i en tvåkomponent Fermi-supervätska. Föroreningen har två inre tillstånd (hyperfina spinntillstånd), och vi antar att det ena interagerar starkt med superfluiden och det andra är icke-interagerande."

Med hjälp av sin FDA-baserade teoretiska modell kunde forskarna avslöja alla de universella polarons egenskaper, med en enkel principiell exakt beräkning. Detta är en anmärkningsvärd prestation, eftersom tidigare studier inte har kunnat noggrant bevisa alla exakta och universella kvasipartikelegenskaper hos Fermi-polaronsystem.

"Vi förberedde föroreningar initialt i det icke-interagerande tillståndet, vi beräknade sannolikheten för att föroreningen absorberar en foton och byter till det starkt interagerande tillståndet som en funktion av fotonfrekvensen, som vi betecknar som A(ω)," sa Wang. "Anta att denna absorptionssannolikhet visar en skarp topp runt någon frekvens ω, detta indikerar förekomsten av en kvasipartikel med energi ℏ ω, som vi kallar tung korsningspolaron."

I framtiden kan det teoretiska arbetet som utförs av detta team av forskare bana väg för laboratorieexperiment med kalla atomer som testar deras hypotes. Dessutom kan fysiker också hämta inspiration från sina papper för att utföra lite olika tester som kallas "Ramsey-interference-typ experiment", som involverar några av de processer och tekniska detaljer som beskrivs i deras papper.

Eftersom teorin som presenteras av Wang och hans kollegor är ganska generell, skulle den kunna tillämpas på flera olika experimentellt realiserbara system. Teamet föreslår till exempel ett experimentellt förverkligande av deras föreslagna system med hjälp av tunga 133Cs-föroreningar i en BCS Fermi-supervätska av 6Li-atomer, som redan hade realiserats i några tidigare arbeten.

"Bidragen från vårt arbete är tvåfaldiga," sa Wang. "Först undersökte vi en modell som kan lösas exakt och som ger alla universella egenskaper hos Fermi-polaroner. Dessa egenskaper har endast beräknats ungefär i olika studier tidigare, men vår analys indikerar att dessa universella egenskaper härstammar från att undertrycka multipla partikelhålsexcitationer av fermioniskt medium. För det andra upptäcker vi ett intressant finit temperaturfenomen för en magnetisk förorening (som interagerar med de två komponenterna i supervätskan med olika styrka) i en tvåkomponent Fermi-supervätska."

När de utförde sina beräkningar fann forskarna att polaronspektrumet uppvisade ytterligare förbättringstoppar vid ändlig temperatur, vilket motsvarade det subgap Yu-Shiba-Rusinov-bundet tillstånd. Deras intressanta teoretiska förutsägelser kan snart testas i olika fysiklabb över hela världen.

"Såvitt vi vet är detta den första studien som tillämpar polaronrelaterad teori för att undersöka subgap Yu-Shiba-Rusinov-bundna tillstånd i ultrakalla gaser," tillade Wang. "I våra nästa studier planerar vi att undersöka tunga polaroner i andra superfluidsystem, som topologisk superfluid. Vi hoppas att vår metod kommer att hjälpa oss att förstå bakgrundsmediets topologiska fasövergång via en principiell exakt beräkning." + Utforska vidare

Att döda en kvasipartikel:En kvant-whodunit

© 2022 Science X Network