Квантовая примесь в центре плотной среды
Квантовая примесь в центре плотной среды
Алексей Кузнецов Опубликована сегодня в 14:46

Даже замёрзшая частица наводит порядок: прорыв в квантовой физике объединил два мира

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.

Две картины одного явления

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.

От ферми-полярона к катастрофе Андерсона

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.

Небольшое движение — большие последствия

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.

Автор Алексей Кузнецов
Алексей Кузнецов — физик-теоретик, к.ф.-м.н. с 12-летним опытом. Работал в ИФ им. Завойского и проектах CERN. Эксперт по квантовым и высоким технологиям.
Редактор Кирилл Казаков
Редактор NewsInfo.Ru, магистр техники и технологий. Профильный аналитик по вопросам ТЭК и автомобильной индустрии. Исследует энергетическую безопасность и внедрение инноваций в городскую инфраструктуру.

Подписывайтесь на NewsInfo.Ru

Читайте также

Учёные испытали кальций-ионный аккумулятор на 1000 циклов — Advanced Science 17.02.2026 в 15:45
Электромобили рискуют сменить фаворита: батарея на кальции выдержала то, что раньше не удавалось

Учёные создали кальций-ионную батарею на 1000 циклов зарядки. Разработка может изменить рынок аккумуляторов и снизить зависимость от лития.

Читать полностью »
Перенаселение и энергия разогреют планету до критической точки: прогноз Хокинга на 2600 год 17.02.2026 в 12:07

Стивен Хокинг предсказывает, что если человечество не изменит курс, Земля станет непригодной к 2600 году из-за перенаселения и растущего потребления.

Читать полностью »
Археологи обнаружили римскую лестницу I века в Кёльне — ZME Science 17.02.2026 в 9:51
Строители копнули глубже — и нашли римский алтарь: Германия получила находку уровня Помпей

В Кёльне под будущим музеем обнаружены римская лестница и редкий домашний алтарь. Находка меняет представление о жизни империи к северу от Альп.

Читать полностью »
Экзопланета размером с Землю оказалась холоднее Марса: найден новый кандидат HD 137010 b 16.02.2026 в 17:31

Астрономы нашли кандидата в экзопланеты HD 137010 b, которая может оказаться холоднее, чем Марс. Но зачем её изучать?

Читать полностью »
Огромный и непоколебимый — но меньше, чем думали: свежие измерения переписали размеры Юпитера 16.02.2026 в 16:13

Учёные уточнили размеры Юпитера благодаря миссии NASA "Юнона". Новые данные и метод радиозатмения меняют представления о форме газового гиганта.

Читать полностью »
80 % болезней скрываются в воздухе и еде: мир начинает охоту за невидимыми причинами заболеваний 16.02.2026 в 12:14

Учёные запускают глобальную инициативу по изучению экспосома человека, чтобы раскрыть скрытые причины болезней и изменить подходы к общественному здоровью.

Читать полностью »
Tyrannoroter heberti изменил эволюционную хронологию: травоядные появились на суше неожиданно рано 16.02.2026 в 11:24

Тайны Tyrannoroter heberti раскрывают первые шаги эволюции к вегетарианству у наземных четвероногих.

Читать полностью »
Солнечные вспышки могут усиливать напряжение в разломах: космическая погода добралась до недр Земли 16.02.2026 в 5:22

Новое исследование ученых связывает космические явления с динамикой разломов в земной коре, исследуя их взаимосвязь.

Читать полностью »