Фізики випадково поєднали два полярні стани квантової матерії

Вчені з Інституту теоретичної фізики Гейдельберзького університету запропонували нову теорію, яка пояснює, як навіть «заморожені» частинки можуть запускати появу порядку у квантових системах. Дослідження об’єднало два підходи сучасної фізики — модель рухомої домішки та випадок майже нерухомої частинки, що радикально змінює середовище.

У класичній картині квазічастинок одна домішка рухається крізь «море Фермі» й утворює полярон — комбіновану сутність із частинки та її оточення. Це стало ключовим інструментом для опису сильно взаємодійних систем, від ультрахолодних газів до твердих матеріалів і навіть ядерної матерії.

Протилежний випадок — так звана «катастрофа ортогональності Андерсона», коли надважка домішка практично нерухома й настільки змінює хвильові функції сусідніх частинок, що квазічастинки не можуть утворитися. Довгий час не існувало теорії, яка б поєднувала ці два сценарії.

Ілюстрація переходу від статичної домішки (ліворуч), яка повністю порушує своє оточення, до рухомої домішки (праворуч), рух якої відновлює порядок завдяки появі квазічастинки. Джерело: © Eugen Diz­er (створено за допомогою штучного інтелекту)

Команда Гейдельберга показала, що навіть дуже масивні домішки не є абсолютно нерухомими: вони здійснюють невеликі зміщення, які створюють енергетичний розрив і дозволяють виникати квазічастинкам. Це відкриває шлях до пояснення переходу від поляронних станів до молекулярних.

Результати мають практичне значення для експериментів із квантовою матерією — від досліджень ультрахолодних атомних газів до нових напівпровідників. Статтю опубліковано в журналі Phys­i­cal Review Let­ters, і вона може стати основою для майбутніх робіт у галузі квантових технологій.