Квантовый мир вновь удивил учёных неожиданным поворотом. Теория, разработанная в Германии, показала, что даже почти "замороженные" частицы способны запускать процессы упорядочивания в сложных системах. Это открытие объединяет два подхода, которые десятилетиями считались несовместимыми. Об этом сообщает журнал Physical Review Letters.
Физики из Института теоретической физики Гейдельбергского университета предложили модель, связывающую два ключевых взгляда на поведение квантовых примесей. Речь идёт о том, как одиночная частица ведёт себя внутри так называемого ферми-моря — системы, заполненной множеством фермионов, к которым относятся электроны, протоны и нейтроны. В такой среде частица может либо свободно перемещаться, либо казаться почти неподвижной, действуя как встроенная примесь.
Новая теория показывает, каким образом в этих условиях формируются квазичастицы, и объясняет связь между состояниями, которые ранее рассматривались по отдельности. Подобные прорывы в области фундаментальной физики регулярно меняют представления о материи — как это происходило, например, при обсуждении временных кристаллов, где также сталкивались разные интерпретации поведения частиц. Это особенно важно для понимания свойств квантовой материи в системах с сильным взаимодействием.
"Разработанная нами теоретическая схема объясняет, как квазичастицы возникают в системах с чрезвычайно тяжёлой примесью, объединяя два подхода, которые долгое время рассматривались отдельно", — говорит аспирант Института теоретической физики Гейдельбергского университета Евген Дизер.
В рамках устоявшейся квазичастичной модели примесь движется сквозь ферми-море, взаимодействуя с окружающими частицами. По мере движения она "увлекает" их за собой, образуя связанную структуру — ферми-полярон. Хотя такая система ведёт себя как единая частица, на деле это результат согласованного движения примеси и её окружения.
Этот подход стал основой для описания самых разных систем — от ультрахолодных атомных газов до твёрдых тел и даже ядерной материи. Исследования в смежных областях, включая работы о кварк-глюонной плазме, также демонстрируют, насколько сложным может быть коллективное поведение частиц при экстремальных условиях. Однако существует и другой сценарий, известный как ортогональная катастрофа Андерсона.
Он возникает, когда примесь настолько тяжела, что практически не движется. В этом случае её присутствие полностью перестраивает волновые функции окружающих фермионов, разрушая прежний порядок и не позволяя сформироваться квазичастице. На протяжении десятилетий физики не располагали теорией, способной связать эти два режима — подвижный и статичный.
Ключевым выводом работы стало понимание того, что даже крайне тяжёлые примеси не являются абсолютно неподвижными. Под воздействием окружающей среды они совершают едва заметные движения. Именно эти микроскопические сдвиги создают энергетический зазор, который открывает возможность для формирования квазичастиц даже в сложной и сильно коррелированной системе.
По словам руководителя группы теории квантовой материи профессора Рихарда Шмидта, предложенный подход универсален и применим к различным пространственным измерениям и типам взаимодействий.
"Наше исследование не только продвигает теоретическое понимание квантовых примесей, но и напрямую связано с текущими экспериментами с ультрахолодными атомными газами, двумерными материалами и новыми полупроводниками", — отмечает профессор Рихард Шмидт.
Учёные также показали, что их модель естественным образом описывает переход от поляронных квантовых состояний к молекулярным. Это даёт более целостное представление о том, как меняются свойства системы при варьировании массы и подвижности примеси.
В итоге новая теория не просто закрывает давний теоретический разрыв, но и предлагает инструменты для интерпретации современных экспериментов с ультрахолодными газами, двумерными материалами и перспективными полупроводниками. Объединяя два противоположных режима поведения, она помогает глубже понять механизмы самоорганизации в квантовой материи и открывает путь к более точному управлению её свойствами.