Natuurkundigen die de kwantumfysica met veel lichamen bestuderen, komen zelden tot exacte oplossingen of conclusies, vooral in meer dan één dimensie. Dit geldt ook voor het Fermi-polaronprobleem, dat gevallen beschrijft waarin de kwantumachtergrond met veel deeltjes een niet-interactief Fermi-gas is.

Het Fermi-polaronprobleem is de afgelopen tien jaar uitgebreid bestudeerd. Het voorspellen van de quasi-deeltjeseigenschappen van Fermi-polarons met een hoge mate van betrouwbaarheid is tot nu toe echter zeer uitdagend gebleken.

Onderzoekers van de Swinburne University of Technology hebben onlangs een model geïntroduceerd dat kan worden gebruikt om de exacte quasi-deeltjeseigenschappen van een zwaar polaron in Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Fermi-superfluïden te voorspellen. Hun paper, gepubliceerd in Physical Review Letters , introduceert een theoretische, exacte oplossing voor een veellichamensysteem, dat uiteindelijk zou kunnen worden getest en gerealiseerd in experimentele instellingen.

De recente studie bouwt voort op een van de eerdere artikelen van het team, gepubliceerd in Physical Review A . Dit eerdere werk was specifiek gericht op crossover-polarons met een mobiele onzuiverheid.

"Ons eerdere werk en vele andere theoretische studies van polaronen met behulp van verschillende benaderingsmethoden geven een aantal universele kenmerken (zoals het bestaan ​​van aantrekkelijke/afstotende polarons en een donker continuüm)", vertelde Jia Wang, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde. Phys.org. "Wij zijn van mening dat de onderdrukking van meerdere quasideeltjesexcitaties in het achtergrondmedium het mechanisme is dat aan deze functies ten grondslag ligt."

Wang en zijn collega's zijn van mening dat het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de universele kenmerken van Fermi-polarons de terugstootenergie van een mobiele onzuiverheid kan zijn of het bestaan ​​​​van een energiekloof in een superfluïde. Om hun hypothese in een experimentele setting te verifiëren, moesten ze deze echter eerst theoretisch weergeven.

"We kwamen een fascinerend artikel tegen, waarin immobiele onzuiverheden in niet-interagerende Fermi-gassen werden bestudeerd," zei Wang. "Dit model is precies oplosbaar met behulp van een 'functional determinant approach (FDA)'-methode. Polarons bestaan ​​echter niet in dergelijke systemen vanwege de beroemde 'Anderson's orthogonaliteitscatastrofe'. Dit komt in wezen omdat immobiele onzuiverheden geen terugstootenergie hebben, en het bestaan ​​van meerdere excitaties van deeltjes en gaten vernietigt de polaronresonantie."

In het veellichamensysteem dat door Wang en zijn collega's is beschreven, kan de aanwezigheid van een superfluïde spleet de meervoudige deeltjes-gat-excitaties van het polaron onderdrukken. Daarom wilden ze de FDA-methode, die doorgaans niet van toepassing is op Fermi-polarons, uitbreiden naar hun BCS-superfluïde systeem.

"We wilden ook experimenteel onderzoek doen naar superfluïde excitaties van Fermi, die al lang een onderzoeksonderwerp zijn", legt Wang uit. "Verschillende experimenten hebben onlangs de introductie gerealiseerd van een andere soort atomen, die de rol van onzuiverheden kunnen spelen, in een BCS-superfluïde. Onze voorspellingen laten zien dat in deze toegankelijke systemen het polaron-spectrum van onzuiverheden kan worden gebruikt om kenmerken van de superfluïde excitatie op de achtergrond te meten spectrum (zoals de superfluïde kloof en de sub-gap Yu-Shiba-Rusinov staat)."

Hoewel de berekeningen van Wang en zijn collega's technisch gezien uitgaan van immobiele onzuiverheden in een systeem, geven ze ook een goede benadering van zware onzuiverheden. Als alternatief zouden natuurkundigen in experimentele omgevingen in staat moeten zijn om onzuiverheden te lokaliseren met behulp van een diep optisch rooster.

"De onze was een theoretische studie," legde Wang uit. "Ons model beschouwt een systeem van immobiele onzuiverheid in een tweecomponenten Fermi-superfluïde. De onzuiverheid heeft twee interne toestanden (hyperfijne spintoestanden), en we nemen aan dat de ene sterk interageert met de superfluïde en de andere geen interactie heeft."

Met behulp van hun op FDA gebaseerde theoretische model waren de onderzoekers in staat om alle universele polaron-functies te onthullen, met een eenvoudige in-principiële exacte berekening. Dit is een opmerkelijke prestatie, aangezien eerdere studies niet in staat waren geweest om alle exacte en universele quasi-deeltjeseigenschappen van Fermi-polaronsystemen rigoureus te bewijzen.

"Door onzuiverheid aanvankelijk voor te bereiden in de niet-interagerende toestand, hebben we de waarschijnlijkheid berekend dat de onzuiverheid een foton absorbeert en overschakelt naar de sterk interagerende toestand als een functie van de fotonfrequentie, die we aanduiden als A (ω), " zei Wang. "Stel dat deze absorptiekans een scherpe piek vertoont rond een bepaalde frequentie ω, dan duidt dit op het bestaan ​​van een quasideeltje met energie ℏ ω, dat we zwaar crossover-polaron noemen."

In de toekomst zou het theoretische werk van dit team van onderzoekers de weg kunnen banen voor laboratoriumexperimenten met koude atomen die hun hypothese testen. Daarnaast zouden natuurkundigen ook inspiratie kunnen putten uit hun paper om iets andere tests uit te voeren die bekend staan ​​als 'Ramsey-interferentie-type experimenten', waarbij enkele van de processen en technische details die in hun paper worden beschreven, betrokken zijn.

Omdat de theorie die door Wang en zijn collega's wordt gepresenteerd vrij algemeen is, kan deze worden toegepast op verschillende experimenteel realiseerbare systemen. Het team suggereert bijvoorbeeld een experimentele realisatie van hun voorgestelde systeem met behulp van zware 133Cs-onzuiverheden in een BCS Fermi-superfluïde van 6Li-atomen, wat al in enkele eerdere werken was gerealiseerd.

"De bijdragen van ons werk zijn tweeledig", zei Wang. "Ten eerste hebben we een model onderzocht dat precies kan worden opgelost en alle universele kenmerken van Fermi-polarons geeft. Deze kenmerken zijn alleen bij benadering in verschillende onderzoeken eerder berekend, maar onze analyse geeft aan dat deze universele kenmerken afkomstig zijn van het onderdrukken van meerdere deeltje-gat-excitaties van de fermionische medium. Ten tweede ontdekken we een interessant eindig temperatuurverschijnsel voor een magnetische onzuiverheid (die interageert met de twee componenten van de supervloeistof met verschillende sterktes) in een tweecomponenten Fermi supervloeistof."

Toen ze hun berekeningen uitvoerden, ontdekten de onderzoekers dat het polaronspectrum extra versterkingspieken vertoonde bij eindige temperatuur, wat overeenkwam met de subgap Yu-Shiba-Rusinov-gebonden toestand. Hun interessante theoretische voorspellingen kunnen binnenkort worden getest in verschillende natuurkundige laboratoria over de hele wereld.

"Voor zover wij weten, is dit de eerste studie die polaron-gerelateerde theorie toepast om subgap Yu-Shiba-Rusinov-gebonden toestanden in ultrakoude gassen te onderzoeken," voegde Wang eraan toe. "In onze volgende onderzoeken zijn we van plan om zware polaronen in andere superfluïde systemen te onderzoeken, zoals topologische superfluïde. We hopen dat onze methode ons zal helpen de topologische faseovergang van het achtergrondmedium te begrijpen via een in-principiële exacte berekening." + Verder verkennen

Een quasideeltje doden:een quantum whodunit

© 2022 Science X Network