En model, der kan forudsige de nøjagtige kvasipartikelegenskaber af tunge Fermi-polaroner

Fysikere, der studerer kvante-mangelegemefysik, når meget sjældent frem til nøjagtige løsninger eller konklusioner, især i mere end én dimension. Dette gælder også for Fermi-polaron-problemet, der beskriver tilfælde, hvor mange-kroppens kvantebaggrund er en ikke-interagerende Fermi-gas.

Fermi-polaron-problemet er blevet undersøgt indgående i løbet af det sidste årti eller deromkring. Det har dog indtil videre vist sig at være meget udfordrende at forudsige Fermi-polaronernes kvasipartikelegenskaber med høje niveauer af tillid.

Forskere ved Swinburne University of Technology introducerede for nylig en model, der kunne bruges til at forudsige de nøjagtige kvasipartikelegenskaber af en tung polaron i Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Fermi-supervæsker. Deres papir, udgivet i Physical Review Letters , introducerer en teoretisk, nøjagtig løsning til et system med mange krop, som i sidste ende kunne testes og realiseres i eksperimentelle omgivelser.

Den nylige undersøgelse bygger på et af holdets tidligere artikler offentliggjort i Physical Review A . Dette tidligere arbejde fokuserede specifikt på crossover-polaroner med en mobil urenhed.

"Vores tidligere arbejde og mange andre teoretiske undersøgelser af polaroner ved hjælp af forskellige tilnærmelsesmetoder giver nogle universelle træk (såsom eksistensen af ​​attraktive/frastødende polaroner og et mørkt kontinuum)," fortalte Jia Wang, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, Phys.org. "Vi mener, at undertrykkelsen af ​​flere kvasipartikel-excitationer i baggrundsmediet er den mekanisme, der ligger til grund for disse funktioner."

Wang og hans kolleger mener, at mekanismen, der understøtter de universelle egenskaber ved Fermi-polaroner, enten kan være rekylenergien fra en mobil urenhed eller eksistensen af ​​et energigab i en superfluid. For at deres hypotese kunne verificeres i eksperimentelle omgivelser, skulle de dog først repræsentere den teoretisk.

"Vi stødte på et fascinerende papir, som studerede immobile urenheder i ikke-interagerende Fermi-gasser," sagde Wang. "Denne model kan nøjagtigt løses ved hjælp af en 'funktionel determinant tilgang (FDA)'-metode. Polaroner findes dog ikke i sådanne systemer på grund af den berømte 'Anderson's ortogonalitet-katastrofe'. I bund og grund skyldes dette, at immobil urenhed ikke har rekylenergi, og eksistensen af ​​flere partikel-hul-excitationer ødelægger polaron-resonansen."

I mange-kropssystemet beskrevet af Wang og hans kolleger kan tilstedeværelsen af ​​et superfluidgab undertrykke polaronens multiple partikel-hul excitationer. Derfor satte de sig for at udvide FDA-metoden, som typisk ikke er anvendelig på Fermi-polaroner, til deres BCS-superfluidsystem.

"Vi ønskede også eksperimentelt at undersøge Fermi superfluid excitationer, som har været et langvarigt forskningsemne," forklarede Wang. "Flere eksperimenter har for nylig indset, at man introducerer en anden art af atomer, som kan spille rollen som urenheder, i en BCS-superfluid. Vores forudsigelser viser, at man i disse tilgængelige systemer kan bruge polaronspektret af urenheder til at måle træk ved baggrunds-superfluid-excitationen spektrum (såsom superfluidgabet og subgabet Yu-Shiba-Rusinov-staten)."

Mens beregningerne udført af Wang og hans kolleger teknisk set antager immobil urenhed i et system, giver de også en god tilnærmelse af tunge urenheder. Alternativt bør fysikere i eksperimentelle omgivelser være i stand til at lokalisere urenheder ved hjælp af et dybt optisk gitter.

"Vores var et teoretisk studie," forklarede Wang. "Vores model betragter et system af immobil urenhed i en to-komponent Fermi-supervæske. Urenheden har to indre tilstande (hyperfine spin-tilstande), og vi antager, at den ene interagerer stærkt med superfluiden, og den anden er ikke-interagerende."

Ved hjælp af deres FDA-baserede teoretiske model var forskerne i stand til at afsløre alle de universelle polaron-funktioner med en simpel principiel nøjagtig beregning. Dette er en bemærkelsesværdig præstation, da tidligere undersøgelser ikke havde været i stand til strengt at bevise alle nøjagtige og universelle kvasipartikelegenskaber ved Fermi-polaronsystemer.

"Ved at forberede urenhed indledningsvis i den ikke-interagerende tilstand, beregnede vi sandsynligheden for, at urenheden absorberer en foton og skifter til den stærkt interagerende tilstand som en funktion af fotonfrekvensen, som vi betegner som A(ω)," sagde Wang. "Antag, at denne absorptionssandsynlighed viser en skarp top omkring en eller anden frekvens ω, dette indikerer eksistensen af ​​en kvasipartikel med energi ℏ ω, som vi kalder tung crossover-polaron."

I fremtiden kan det teoretiske arbejde udført af dette team af forskere bane vejen for laboratorieforsøg med kolde atomer, der tester deres hypotese. Derudover kunne fysikere også hente inspiration fra deres papir til at udføre lidt anderledes test kendt som "Ramsey-interference-type eksperimenter", som involverer nogle af de processer og tekniske detaljer, der er beskrevet i deres papir.

Da teorien præsenteret af Wang og hans kolleger er ret generel, kan den anvendes på flere forskellige eksperimentelt realiserbare systemer. For eksempel foreslår holdet en eksperimentel realisering af deres foreslåede system ved hjælp af tunge 133Cs-urenheder i en BCS Fermi-superfluid af 6Li-atomer, som allerede var blevet realiseret i nogle tidligere værker.

"Bidragene fra vores arbejde er dobbelte," sagde Wang. "Først undersøgte vi en model, der kan løses nøjagtigt og giver alle universelle træk ved Fermi-polaroner. Disse træk er kun blevet beregnet tilnærmelsesvis i forskellige undersøgelser før, men vores analyse indikerer, at disse universelle træk stammer fra undertrykkelse af multiple partikel-hul-excitationer af fermionisk medium. For det andet opdager vi et interessant finit temperaturfænomen for en magnetisk urenhed (der interagerer med de to komponenter af superfluiden med forskellige styrker) i en to-komponent Fermi superfluid."

Da de udførte deres beregninger, fandt forskerne ud af, at polaronspektret udviste yderligere forbedringstoppe ved endelig temperatur, hvilket svarede til den subgap Yu-Shiba-Rusinov-bundne tilstand. Deres interessante teoretiske forudsigelser kan snart blive testet i forskellige fysiklaboratorier verden over.

"Så vidt vi ved, er dette den første undersøgelse, der anvender polaron-relateret teori til at undersøge subgap Yu-Shiba-Rusinov-bundne tilstande i ultrakolde gasser," tilføjede Wang. "I vores næste undersøgelser planlægger vi at undersøge tunge polaroner i andre superfluidsystemer, såsom topologisk superfluid. Vi håber, at vores metode vil hjælpe os til at forstå baggrundsmediets topologiske faseovergang via en principiel nøjagtig beregning." + Udforsk yderligere

At dræbe en kvasipartikel:En kvante-whodunit

© 2022 Science X Network