一种新的量子理论弥合了关于杂质在多粒子系统内部行为的两个对立模型，解决了一个困扰物理学家数十年的问题。这些发现可能会重塑针对超冷原子、半导体及其他奇异量子物质形态的实验。
该框架由海德堡大学理论物理研究所的研究人员创建，解释了准粒子是如何涌现的，并将两种先前互不关联的量子态联系起来。该团队表示，这一进展可能对探索量子物质的实验具有重要意义。
新理论统一了相互竞争的量子模型
长期以来，量子多体物理一直依赖不同的模型来解释杂质（如奇异电子或原子）如何与周围粒子相互作用。
一个公认的图像是基于准粒子的。在该模型中，单个杂质在包括电子、质子或中子的费米子海中移动，同时与附近的粒子相互作用。在移动过程中，它有效地携带了那些邻近粒子，形成了一个被称为费米极化子的复合实体。尽管它的行为像单个粒子，但这种准粒子实际上源于杂质及其周围粒子的集体运动。
海德堡大学理论物理研究所的博士候选人尤金·迪泽表示，这种准粒子模型已成为理解强相互作用系统的基础工具，这些系统包括超冷原子气体、固态材料和核物质。
解开数十年来的量子谜题
当杂质极重且基本无法移动时，会出现截然不同的图像。在这种情况下，一种被称为安德森正交性灾难的现象占据了主导地位。
重杂质非但没有产生准粒子，反而剧烈地改变了量子系统，致使周围费米子的波函数失去了原有的形式。由此产生的复杂背景阻碍了准粒子存在所需的协同运动。
数十年来，物理学家一直缺乏一种理论来解释这两种截然不同的描述是如何统一的。海德堡团队利用一系列分析技术，现已展示了可移动和近乎不可移动的杂质模型如何能在一个单一的理论框架内实现统一。
微小运动揭示了缺失的关联
“我们开发的理论框架解释了准粒子如何在含有极重杂质的系统中涌现，从而连接了两个长期被分开处理的范式，”理查德·施密特教授领导的量子物质理论工作组成员尤金·迪泽解释道。
研究人员发现，即使是极重的杂质也不是完全静止的。随着周围环境的调整，这些杂质仍会发生轻微的移动。这些微小的运动产生了一个能隙，使得准粒子能够从原本保持强关联的量子背景中涌现出来。
这一新框架还自然地解释了量子系统如何在所谓的极化子态和分子态之间转变。
对量子材料和未来实验的影响
施密特教授表示，新理论提供了一种通用的方法来描述不同空间维度和广泛相互作用下的量子杂质。
“我们的研究不仅推进了对量子杂质的理论理解，而且与正在进行的超冷原子气体、二维材料和新型半导体实验直接相关，”这位海德堡物理学家补充道。
该研究通过海德堡大学的STRUCTURES卓越集群和ISOQUANT合作研究中心1225进行。研究结果发表在《物理评论快报》期刊上。