物理學家解開了困擾科學家數十年的量子之謎

在量子多體物理學中，科學家們長期以來一直在爭論雜質在被大量其他粒子包圍時如何表現。這些雜質可以是不尋常的電子或原子（即奇怪的電子或原子）。一種廣泛使用的解釋是準粒子模型。在這張圖中，單個粒子穿過電子、質子或中子等費米子海洋，不斷與周圍的粒子相互作用。當它移動時，它會拉動附近的粒子，形成一個稱為費米極化子的緻密實體。儘管它表現為單個粒子，但這種準粒子是由雜質及其周圍環境的聯合運動產生的。海德堡大學博士生尤金·戴瑟 (Eugene Deiser) 指出，這一想法已成為理解從超冷氣體到固體和核材料等高度交互系統的基礎。

當重粒子擾亂系統時

一種完全不同的場景出現在一種被稱為正交安德森災難的現像中。當雜質太重以至於幾乎無法移動時，就會發生這種情況。它的存在顯著改變了周圍的系統。費米子的波函數變化如此之大，以至於它們失去了原來的形狀，創造了一個複雜的背景，協調運動崩潰了。在這些條件下，無法形成準粒子。到目前為止，物理學家還沒有一個明確的理論將這種極端情況與移動雜質的圖像聯繫起來。通過應用一組分析工具，海德堡團隊能夠將這兩種描述連接到一個框架中。

小動作會產生大後果

“我們開發的理論框架解釋了準粒子如何在雜質含量非常高的系統中出現，並將兩個長期以來單獨處理的模型聯繫起來，”在理查德·施密特教授博士領導的量子物質理論小組工作的尤金·戴瑟（Eugene Deiser）解釋道。該理論背後的主要思想之一是，即使是非常重的雜質也不是完全穩定的。隨著周圍環境的調整，這些粒子會發生微小的運動。這些微妙的變化產生了一個能隙，使得準粒子的形成成為可能，即使在強耦合環境中也是如此。研究人員還表明，這個過程自然地負責從極性態到分子量子態的轉變。

對量子實驗的影響

施密特教授表示，新結果提供了一種靈活的方法來描述雜質，可以應用於不同維度和反應類型。 “我們的研究不僅增進了對量子雜質的理論理解，而且還與正在進行的超冷原子氣體、二維材料和新型半導體實驗直接相關，”他補充道。

該研究是海德堡大學傑出結構小組和 ISOQUANT 1225 合作研究中心的一部分進行的。研究結果發表在期刊上 物理評論信。