En modell som kan forutsi de nøyaktige kvasipartikkelegenskapene til tunge Fermi-polaroner

Fysikere som studerer kvante-mangekroppsfysikk når svært sjelden eksakte løsninger eller konklusjoner, spesielt i mer enn én dimensjon. Dette gjelder også for Fermi-polaron-problemet, som beskriver tilfeller der kvantebakgrunnen med mange kropper er en ikke-samvirkende Fermi-gass.

Fermi-polaron-problemet har blitt studert mye i løpet av det siste tiåret eller så. Men å forutsi kvasipartikkelegenskapene til Fermi-polaroner med høye nivåer av selvtillit har så langt vist seg å være svært utfordrende.

Forskere ved Swinburne University of Technology introduserte nylig en modell som kan brukes til å forutsi de nøyaktige kvasipartikkelegenskapene til en tung polaron i Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Fermi-superfluider. Papiret deres, publisert i Fysiske gjennomgangsbrevintroduserer en teoretisk, eksakt løsning for et system med mange kropper, som til slutt kan testes og realiseres i eksperimentelle omgivelser.

Den nylige studien bygger på en av teamets tidligere artikler publisert i Fysisk gjennomgang A. Dette tidligere arbeidet fokuserte spesifikt på crossover-polaroner med en mobil urenhet.

“Vårt tidligere arbeid og mange andre teoretiske studier av polaroner ved bruk av ulike tilnærmingsmetoder gir noen universelle trekk (som eksistensen av attraktive/frastøtende polaroner og et mørkt kontinuum),” sa Jia Wang, en av forskerne som utførte studien. Phys.org. “Vi tror at undertrykkelsen av flere kvasipartikkeleksitasjoner i bakgrunnsmediet er mekanismen som ligger til grunn for disse funksjonene.”

Wang og hans kolleger mener at mekanismen som ligger til grunn for de universelle egenskapene til Fermi-polaroner enten kan være rekylenergien til en mobil urenhet eller eksistensen av et energigap i en superfluid. For at hypotesen deres skulle kunne verifiseres i en eksperimentell setting, måtte de imidlertid først representere den teoretisk.

“Vi kom over et fascinerende papir, som studerte immobile urenheter i ikke-interagerende Fermi-gasser,” sa Wang. “Denne modellen er nøyaktig løsbar ved å bruke en ‘funksjonell determinant tilnærming (FDA)’-metoden. Imidlertid eksisterer ikke polaroner i slike systemer på grunn av den berømte ‘Andersons ortogonalitetskatastrofe.’ I hovedsak er dette fordi immobil urenhet ikke har rekylenergi, og eksistensen av flere partikkel-hull-eksitasjoner ødelegger polaron-resonansen.”

I mangekroppssystemet beskrevet av Wang og hans kolleger, kan tilstedeværelsen av et superfluidgap undertrykke polaronens multiple partikkel-hull-eksitasjoner. Derfor satte de seg for å utvide FDA-metoden, som vanligvis ikke kan brukes på Fermi-polaroner, til deres BCS-superfluidsystem.

“Vi ønsket også å eksperimentelt undersøke Fermi superfluid eksitasjoner, som har vært et langvarig forskningstema,” forklarte Wang. “Flere eksperimenter har nylig realisert å introdusere en annen art av atomer, som kan spille rollen som urenheter, i en BCS-superfluid. Våre spådommer viser at i disse tilgjengelige systemene kan man bruke polaronspekteret av urenheter til å måle funksjoner ved bakgrunns-superfluideksitasjonen spektrum (som superfluidgapet og undergapet Yu-Shiba-Rusinov-staten).”

Mens beregningene utført av Wang og hans kolleger teknisk sett antar immobil urenhet i et system, gir de også en god tilnærming av tunge urenheter. Alternativt, i eksperimentelle omgivelser, bør fysikere være i stand til å lokalisere urenheter ved hjelp av et dypt optisk gitter.

“Vårt var en teoretisk studie,” forklarte Wang. “Vår modell tar for seg et system med immobil urenhet i en to-komponent Fermi-superfluid. Urenheten har to indre tilstander (hyperfine spin-tilstander), og vi antar at den ene interagerer sterkt med superfluiden og den andre er ikke-samvirkende.”

Ved å bruke deres FDA-baserte teoretiske modell, var forskerne i stand til å avsløre alle de universelle polaron-funksjonene, med en enkel, prinsipiell eksakt beregning. Dette er en bemerkelsesverdig prestasjon, ettersom tidligere studier ikke hadde vært i stand til strengt å bevise alle nøyaktige og universelle kvasipartikkelegenskaper til Fermi-polaronsystemer.

“Ved å forberede urenheter i den ikke-samvirkende tilstanden, beregnet vi sannsynligheten for at urenheten absorberer et foton og bytte til den sterkt interagerende tilstanden som en funksjon av fotonfrekvensen, som vi betegner som A(ω),” sa Wang. “Anta at denne absorpsjonssannsynligheten viser en skarp topp rundt en eller annen frekvens ω, dette indikerer eksistensen av en kvasipartikkel med energi ℏ ω, som vi kaller tung crossover-polaron.”

I fremtiden kan det teoretiske arbeidet utført av dette teamet av forskere bane vei for laboratorieeksperimenter med kalde atomer som tester hypotesen deres. I tillegg kunne fysikere også hente inspirasjon fra papiret deres til å utføre litt forskjellige tester kjent som “Ramsey-interferens-type eksperimenter”, som involverer noen av prosessene og tekniske detaljene som er skissert i papiret deres.

Siden teorien presentert av Wang og hans kolleger er ganske generell, kan den brukes på flere forskjellige eksperimentelt realiserbare systemer. For eksempel foreslår teamet en eksperimentell realisering av deres foreslåtte system ved å bruke tunge 133Cs-urenheter i en BCS Fermi-superfluid av 6Li-atomer, som allerede hadde blitt realisert i noen tidligere arbeider.

“Bidragene fra arbeidet vårt er todelt,” sa Wang. “Først undersøkte vi en modell som kan løses nøyaktig og som gir alle universelle egenskaper ved Fermi-polaroner. Disse egenskapene har kun blitt beregnet omtrentlig i forskjellige studier tidligere, men vår analyse indikerer at disse universelle egenskapene stammer fra å undertrykke flere partikkel-hull-eksitasjoner av fermionisk medium. For det andre oppdager vi et interessant finitt temperaturfenomen for en magnetisk urenhet (som interagerer med de to komponentene i superfluiden med forskjellig styrke) i en to-komponent Fermi superfluid.”

Da de utførte beregningene sine, fant forskerne at polaronspekteret viste ytterligere forbedringstopper ved begrenset temperatur, som tilsvarte den subgap Yu-Shiba-Rusinov bundet tilstand. Deres interessante teoretiske spådommer kan snart testes i forskjellige fysikklaboratorier over hele verden.

“Så vidt vi vet er dette den første studien som søker polaron-relatert teori for å undersøke subgap Yu-Shiba-Rusinov-bundne tilstander i ultrakalde gasser,” la Wang til. “I våre neste studier planlegger vi å undersøke tunge polaroner i andre superfluidsystemer, for eksempel topologiske superflytende. Vi håper at metoden vår vil hjelpe oss til å forstå bakgrunnsmediets topologiske faseovergang via en prinsipiell eksakt beregning.”

---

---

© 2022 Science X Network