Физики, изучающие квантовую физику многих тел, очень редко приходят к точным решениям или выводам, особенно в более чем одном измерении. Это также верно для проблемы полярона Ферми, описывающей случаи, в которых квантовый фон многих тел представляет собой невзаимодействующий ферми-газ.

Проблема полярона Ферми широко изучалась в течение последнего десятилетия или около того. Однако предсказание квазичастичных свойств ферми-поляронов с высоким уровнем достоверности до сих пор оказалось очень сложной задачей.

Исследователи из Технологического университета Суинберна недавно представили модель, которую можно использовать для точного предсказания квазичастичных свойств тяжелого полярона в сверхтекучих ферми-ферми Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , представлено теоретическое точное решение для системы многих тел, которое в конечном итоге может быть проверено и реализовано в экспериментальных условиях.

Недавнее исследование основано на одной из предыдущих статей группы, опубликованных в журнале Physical Review A. Эта предыдущая работа была специально посвящена кроссоверным поляронам с подвижной примесью.

«Наша предыдущая работа и многие другие теоретические исследования поляронов с использованием различных методов приближения дают некоторые универсальные черты (такие как существование притягивающих/отталкивающих поляронов и темного континуума)», — сказал Цзя Ван, один из исследователей, проводивших исследование. «Мы полагаем, что подавление множественных возбуждений квазичастиц в фоновой среде является механизмом, лежащим в основе этих особенностей».

Ван и его коллеги полагают, что механизм, лежащий в основе универсальных свойств поляронов Ферми, может заключаться либо в энергии отдачи подвижной примеси, либо в существовании энергетической щели в сверхтекучей жидкости. Однако, чтобы их гипотезу можно было проверить в экспериментальных условиях, они сначала должны были представить ее теоретически.

«Мы наткнулись на увлекательную статью , в которой изучались неподвижные примеси в невзаимодействующих ферми-газах», — сказал Ван. «Эта модель точно решаема с использованием метода «функционального детерминантного подхода (FDA)». Однако поляроны не существуют в таких системах из-за знаменитой «катастрофы ортогональности Андерсона». По существу, это связано с тем, что неподвижная примесь не имеет энергии отдачи, а существование множественных частично-дырочных возбуждений разрушает поляронный резонанс».

В системе многих тел, описанной Вангом и его коллегами, наличие сверхтекучей щели может подавить множественные возбуждения частица-дырка полярона. Поэтому они решили распространить метод FDA, который обычно неприменим к ферми-поляронам, на их сверхтекучую систему БКШ.

«Мы также хотели экспериментально исследовать сверхтекучие возбуждения Ферми, которые были давней темой исследований», — пояснил Ван. «Недавно было реализовано несколько экспериментов по введению в сверхтекучую БКШ атомов другого вида, которые могут играть роль примесей. Наши предсказания показывают, что в этих доступных системах можно использовать поляронный спектр примесей для измерения особенностей фонового сверхтекучего возбуждения. спектр (например, сверхтекучие щели и подщелевые состояния Ю-Шиба-Русинова)».

Хотя расчеты, проведенные Вангом и его коллегами, технически предполагают наличие в системе неподвижной примеси, они также обеспечивают хорошее приближение тяжелых примесей. В качестве альтернативы в экспериментальных условиях физики должны иметь возможность локализовать примеси, используя глубокую оптическую решетку.

«Наше исследование было теоретическим», — объяснил Ван. «Наша модель рассматривает систему неподвижных примесей в двухкомпонентной фермиевской сверхтекучей среде. Примесь имеет два внутренних состояния (сверхтонкие спиновые состояния), и мы предполагаем, что одно сильно взаимодействует со сверхтекучим, а другое не взаимодействует».

Используя свою теоретическую модель, основанную на FDA, исследователи смогли раскрыть все универсальные характеристики полярона с помощью простого, в принципе точного расчета. Это замечательное достижение, поскольку предыдущие исследования не смогли строго доказать все точные и универсальные квазичастичные свойства ферми-поляронных систем.

«Подготовив примесь изначально в невзаимодействующем состоянии, мы рассчитали вероятность того, что примесь поглотит фотон и перейдет в сильно взаимодействующее состояние, как функцию частоты фотона, которую мы обозначаем как A(ω)», — сказал Ван. «Предположим, что эта вероятность поглощения показывает резкий пик около некоторой частоты ω, это указывает на существование квазичастицы с энергией ℏ ω, которую мы называем тяжелым пересеченным поляроном».

В будущем теоретическая работа, проводимая этой группой исследователей, может проложить путь к лабораторным экспериментам с холодными атомами для проверки их гипотезы. Кроме того, физики могли бы также черпать вдохновение из своей статьи для проведения несколько иных тестов, известных как «эксперименты типа интерференции Рамси», которые включают некоторые процессы и технические детали, изложенные в их статье.

Поскольку теория, представленная Вангом и его коллегами, носит довольно общий характер, ее можно применить к нескольким различным экспериментально реализуемым системам. Например, команда предлагает экспериментальную реализацию предложенной ими системы с использованием тяжелых примесей 133Cs в ​​ферми-сверхтекучей БКШ атомов 6Li, которая уже была реализована в некоторых предыдущих работах.

«Вклад нашей работы в два раза», сказал Ван. «Во-первых, мы исследовали модель, которая может быть решена точно и дает все универсальные свойства поляронов Ферми. Эти свойства были рассчитаны только приблизительно в различных исследованиях ранее, но наш анализ показывает, что эти универсальные свойства возникают из-за подавления множественных частично-дырочных возбуждений поляронов Ферми. фермионной среды. Во-вторых, мы обнаруживаем интересное конечно-температурное явление для магнитной примеси (которая взаимодействует с двумя компонентами сверхтекучей жидкости с разной силой) в двухкомпонентной ферми-сверхтекучей жидкости».

При проведении расчетов исследователи обнаружили, что в спектре полярона наблюдаются дополнительные пики усиления при конечной температуре, что соответствует подщелевому связанному состоянию Ю-Шиба-Русинова. Их интересные теоретические предсказания вскоре можно будет проверить в различных физических лабораториях по всему миру.

«Насколько нам известно, это первое исследование, применяющее теорию, связанную с поляронами , для изучения подщелевых связанных состояний Ю-Шиба-Русинова в ультрахолодных газах», — добавил Ван. «В наших следующих исследованиях мы планируем исследовать тяжелые поляроны в других сверхтекучих системах, таких как топологическая сверхтекучесть . Мы надеемся, что наш метод поможет нам понять топологический фазовый переход фоновой среды посредством принципиально точного расчета».