Spaltning af kvasipartikler med temperatur:Skæbnen for en urenhed i et Bose-Einstein-kondensat

En ny teoretisk undersøgelse ved Monash University har forbedret vores forståelse af samspillet mellem kvante- og termiske fluktuationer (eller excitationer) i kvantestof.

Undersøgelsen viste, at en urenhed i et Bose-Einstein-kondensat (BEC) udviser et spændende energispektrum, da dets temperatur er hævet til over nul kelvin, med grundtilstandens kvasipartikel, der spalter sig i en række grene, der afhænger af interaktionerne med den termiske sky, der omgiver BEC.

"Modelleringen viste, at antallet af kvasipartikelgrene simpelthen er sat af antallet af hulexcitationer af den termiske sky, " forklarer hovedforfatter, Bernard Field.

"Det er, inklusive op til et hul giver en split, to huller giver to spalter, og så videre, " siger Bernard, der er ph.d.-studerende inden for School of Physics and Astronomy ved Monash University.

Kolde atomare gasser som et 'perfekt testbed'

Kolde atomare gasser bruges til at studere virkningerne af urenheder koblet til et kvantemedium – et scenarie, der er relevant for alt fra felteffekttransistorer til protonernes adfærd i neutronstjerner.

Kolde atomare gasser giver et særligt rent og fleksibelt system til at undersøge opførselen af ​​kvanteurenheder, gør det muligt at variere interaktioner mellem urenhed og medium fra svag til stærk kobling og afsløre den måde, hvorpå urenheden bliver 'påklædt' ved excitationer af mediet.

Specifikt, den nye undersøgelse fokuserer på urenheder i en BEC, omtalt som en Bose-polaron.

Tidligere undersøgelser havde forudsagt, at energispektret af en Bose-polaron ville dele sig i to lige grene med enhver temperaturstigning over nul kelvin.

Monash-undersøgelsen fandt, at dette resultat er en konsekvens af kun at antage en enkelt partikel-hul-excitation af mediet. Når flere huller er inkluderet, resultatet er mere splittende.

"Da der kan være et stort antal excitationer i et rigtigt system, vi forventer, at den faktiske Bose polaron vil fremstå som en enkelt bred top ved lave temperaturer, " forklarer A/Prof Meera Parish.

"Imidlertid, bemærkelsesværdigt finder vi, at adfærden er fundamentalt forskellig fra, hvad man kunne forvente fra standardteorier om kvantefluktuationer og kvantefaseovergange."

Forskerne gør brug af en elegant variationstilgang, der inkluderer multibody-korrelationer mellem urenheden og BEC, dermed gå ud over den nuværende state of the art på området. Især, deres teoretiske resultat for grundtilstandsenergien for Bose-polaronen er i glimrende overensstemmelse med mere numerisk intensiv kvantemodellering og med eksperimenter.

Bose-polaronens skæbne ved endelig temperatur blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang A i januar 2020