In grote systemen van op elkaar inwerkende deeltjes in de kwantummechanica, er komt vaak een intrigerend fenomeen naar voren:groepen deeltjes beginnen zich als afzonderlijke deeltjes te gedragen. Natuurkundigen noemen zulke groepen deeltjes 'quasideeltjes'.

Het begrijpen van de eigenschappen van quasideeltjes kan de sleutel zijn tot het begrijpen, en uiteindelijk beheersen, technologisch belangrijke kwantumeffecten zoals supergeleiding en superfluïditeit.

Helaas, quasideeltjes zijn alleen nuttig zolang ze leven. Het is dan ook bijzonder jammer dat veel quasideeltjes jong sterven, ver blijven, veel minder dan een seconde.

De auteurs van een nieuwe door Monash University geleide studie die vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven onderzoek de cruciale vraag:hoe sterven quasideeltjes?

Naast de gebruikelijke verdachte - quasideeltjesverval naar lagere energietoestanden - identificeren de auteurs een nieuwe boosdoener:defasering van veel lichamen.

Veel lichaamsdefasering

Many-body dephasing is de wanorde van de samenstellende deeltjes in het quasi-deeltje dat van nature in de loop van de tijd voorkomt.

Naarmate de stoornis toeneemt, de gelijkenis van het quasideeltje met een enkel deeltje vervaagt. Eventueel, het onontkoombare effect van defasering van veel lichamen doodt het quasi-deeltje.

Verre van een verwaarloosbaar effect, de auteurs tonen aan dat defasering van vele lichamen zelfs kan domineren over andere vormen van quasideeltjesdood.

Dit wordt aangetoond door onderzoek naar een bijzonder 'schoon' quasideeltje - een onzuiverheid in een ultrakoud atomair gas - waar de auteurs sterk bewijs vinden van defasering van veel lichamen in eerdere experimentele resultaten.

De auteurs concentreren zich op het geval waarin het ultrakoude atomaire gas een Fermi-zee is. Een onzuiverheid in een Fermi-zee geeft aanleiding tot een quasi-deeltje dat bekend staat als het afstotende Fermi-polaron.

Het weerzinwekkende Fermi-polaron is een zeer gecompliceerd quasideeltje en heeft een geschiedenis van het ontwijken van zowel experimentele als theoretische studies.

Door uitgebreide simulaties en nieuwe theorie, de auteurs laten zien dat een gevestigd experimenteel protocol - Rabi-oscillaties tussen onzuiverheidsspintoestanden - de effecten vertoont van defasering van veel lichamen in het weerzinwekkende Fermi-polaron.

Deze voorheen niet-herkende resultaten leveren sterk bewijs dat defasering van veel lichamen fundamenteel is voor de aard van quasideeltjes.

De studie werd geleid door de School of Physics and Astronomy, Monash universiteit, met co-auteurs van het Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche in Florence, Italië, en Ludwig-Maximilians-Universität in München, Duitsland.