海德堡大学的物理学家提出了一项新理论，最终统一了关于奇异粒子在量子物质中行为的两种长期存在且看似矛盾的观点。在某些情况下，一个杂质穿过粒子海，形成一种被称为"费米极化子"的准粒子；在另一些情况下，一个极重的杂质会冻结在原位，扰乱整个系统，使准粒子彻底消失。新的理论框架表明，这两种情况并非彼此对立的现实，它揭示了即使是极重的粒子也能进行微小的运动，从而使准粒子得以产生。
在量子多体物理学中，科学家们长期以来一直在争论杂质被大量其他粒子包围时的行为。这些杂质可能是非比寻常的电子或原子（即奇特的电子或原子）。一种被广泛使用的解释是准粒子模型。在这个图像中，一个单独的粒子穿过诸如电子、质子或中子等费米子的海洋，并与其周围的粒子持续相互作用。当它运动时，会拉动附近的粒子一同运动，从而形成一个称为费米极化子的复合实体。尽管它表现得像一个单独的粒子，但这个准粒子源于杂质及其周围环境的共同运动。正如海德堡大学博士生Eugen Dizer所指出的，这一概念已成为理解从超冷气体到固体材料乃至核物质等强相互作用系统的核心。
当重粒子破坏系统时
在一种称为安德森正交灾难的现象中，出现了一种非常不同的情况。当杂质质量极大，几乎完全不运动时，就会发生这种情况。它的存在会显著改变周围的系统。费米子的波函数发生巨大变化，以至于失去其原始形态，产生了一个复杂背景，在这种背景下协同运动被打破。在这些条件下，准粒子无法形成。直到现在，物理学家们还没有一个清晰的理论将这个极端情况与可移动杂质图像联系起来。通过应用一系列分析工具，海德堡大学的研究团队成功地将这两种描述联系在一个统一的框架内。
小运动，大后果
“我们发展的理论框架解释了准粒子如何在存在极重杂质的系统中出现，连接了两个长期以来被分开处理的范式，”在Richard Schmidt教授领导的量子物质理论组工作的Eugen Dizer解释道。该理论背后的一个关键见解是，即使是非常重的杂质也并非完全静止。随着其周围环境的调整，这些粒子会发生微小的运动。这些微小的位移产生了一个能隙，使得准粒子的形成成为可能，即使在强关联环境中也是如此。研究人员还表明，这个过程自然地解释了从极化子态到分子量子态的转变。
对量子实验的启示
Schmidt教授表示，这项新成果提供了一种灵活的方法来描述杂质，可适用于不同维度和相互作用类型。“我们的研究不仅推进了对量子杂质的理论理解，而且与当前正在进行的超冷原子气体、二维材料以及新型半导体实验直接相关，”他补充道。
这项研究是作为海德堡大学卓越集群STRUCTURES和ISOQUANT合作研究中心1225的一部分进行的。研究结果发表在《物理评论快报》期刊上。