Ein Modell, das die genauen Quasi-Teilchen-Eigenschaften schwerer Fermi-Polaronen vorhersagen kann

Physiker, die Quanten-Vielteilchenphysik studieren, kommen sehr selten zu exakten Lösungen oder Schlussfolgerungen, insbesondere in mehr als einer Dimension. Dies gilt auch für das Fermi-Polaron-Problem, das Fälle beschreibt, in denen der Vielteilchen-Quantenhintergrund ein nicht wechselwirkendes Fermi-Gas ist.

Das Fermi-Polaron-Problem wurde in den letzten zehn Jahren ausführlich untersucht. Die Vorhersage der Quasi-Teilchen-Eigenschaften von Fermi-Polaronen mit hoher Zuverlässigkeit hat sich jedoch bisher als sehr herausfordernd erwiesen.

Forscher der Swinburne University of Technology haben kürzlich ein Modell vorgestellt, das zur Vorhersage der genauen Quasi-Partikel-Eigenschaften eines schweren Polarons in Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Fermi-Superfluiden verwendet werden könnte. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungstellt eine theoretische, exakte Lösung für ein Vielteilchensystem vor, die schließlich in experimentellen Umgebungen getestet und realisiert werden könnte.

Die aktuelle Studie baut auf einer der früheren Arbeiten des Teams auf, die in veröffentlicht wurden Körperliche Überprüfung A. Diese frühere Arbeit konzentrierte sich speziell auf Crossover-Polaronen mit einer beweglichen Verunreinigung.

„Unsere frühere Arbeit und viele andere theoretische Studien zu Polaronen mit verschiedenen Annäherungsmethoden liefern einige universelle Merkmale (wie die Existenz anziehender/abstoßender Polaronen und eines dunklen Kontinuums)“, sagte Jia Wang, einer der Forscher, der die Studie durchführte Phys.org. „Wir glauben, dass die Unterdrückung mehrerer Quasiteilchen-Anregungen im Hintergrundmedium der Mechanismus ist, der diesen Merkmalen zugrunde liegt.“

Wang und seine Kollegen glauben, dass der Mechanismus, der die universellen Eigenschaften von Fermi-Polaronen untermauert, entweder die Rückstoßenergie einer beweglichen Verunreinigung oder die Existenz einer Energielücke in einem Suprafluid sein könnte. Damit ihre Hypothese im Experiment verifiziert werden konnte, mussten sie sie jedoch zunächst theoretisch darstellen.

„Wir sind gestoßen ein faszinierendes Papier, das unbewegliche Verunreinigungen in nicht-wechselwirkenden Fermi-Gasen untersuchte“, sagte Wang. Polaronen existieren in solchen Systemen jedoch aufgrund der berühmten „Anderson-Orthogonalitätskatastrophe“ nicht. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass unbewegliche Verunreinigungen keine Rückstoßenergie haben und die Existenz mehrerer Partikel-Loch-Anregungen die Polaronresonanz zerstört.

In dem von Wang und seinen Kollegen beschriebenen Vielteilchensystem kann das Vorhandensein einer superfluiden Lücke die multiplen Teilchen-Loch-Anregungen des Polarons unterdrücken. Daher machten sie sich daran, die FDA-Methode, die normalerweise auf Fermi-Polaronen nicht anwendbar ist, auf ihr superfluides BCS-System auszudehnen.

„Wir wollten auch experimentell die superfluiden Fermi-Anregungen untersuchen, die ein langjähriges Forschungsthema sind“, erklärte Wang. „Mehrere Experimente haben kürzlich die Einführung einer anderen Atomart, die die Rolle von Verunreinigungen spielen kann, in ein BCS-Superfluid realisiert. Unsere Vorhersagen zeigen, dass man in diesen zugänglichen Systemen das Polaron-Spektrum von Verunreinigungen verwenden kann, um Merkmale der Hintergrund-Suprafluid-Anregung zu messen Spektrum (wie die superfluide Lücke und der Sub-Lücke-Yu-Shiba-Rusinov-Zustand).

Während die von Wang und seinen Kollegen durchgeführten Berechnungen technisch von unbeweglichen Verunreinigungen in einem System ausgehen, liefern sie auch eine gute Annäherung an schwere Verunreinigungen. Alternativ sollten Physiker in experimentellen Umgebungen in der Lage sein, Verunreinigungen mithilfe eines tiefen optischen Gitters zu lokalisieren.

„Unsere war eine theoretische Studie“, erklärte Wang. „Unser Modell betrachtet ein System unbeweglicher Verunreinigung in einem Zweikomponenten-Fermi-Superfluid. Die Verunreinigung hat zwei interne Zustände (hyperfeine Spinzustände), und wir nehmen an, dass einer stark mit dem Suprafluid wechselwirkt und der andere nicht wechselwirkt.“

Unter Verwendung ihres FDA-basierten theoretischen Modells konnten die Forscher alle universellen Polaron-Merkmale mit einer einfachen, im Prinzip exakten Berechnung enthüllen. Dies ist eine bemerkenswerte Leistung, da frühere Studien nicht in der Lage waren, alle exakten und universellen Quasiteilcheneigenschaften von Fermi-Polaron-Systemen rigoros zu beweisen.

„Indem wir die Verunreinigung zunächst im nicht wechselwirkenden Zustand vorbereiteten, berechneten wir die Wahrscheinlichkeit, dass die Verunreinigung ein Photon absorbiert und in den stark wechselwirkenden Zustand als Funktion der Photonenfrequenz wechselt, die wir als A(ω) bezeichnen“, sagte Wang. „Nehmen wir an, diese Absorptionswahrscheinlichkeit zeigt einen scharfen Peak um eine Frequenz ω, dies weist auf die Existenz eines Quasiteilchens mit der Energie ℏ ω hin, das wir schweres Crossover-Polaron nennen.“

In Zukunft könnten die theoretischen Arbeiten dieses Forscherteams den Weg für Laborexperimente mit kalten Atomen ebnen, die ihre Hypothese überprüfen. Darüber hinaus könnten sich Physiker auch von ihrer Arbeit inspirieren lassen, etwas andere Tests durchzuführen, die als „Ramsey-Interferenz-Experimente“ bekannt sind und einige der in ihrer Arbeit beschriebenen Prozesse und technischen Details beinhalten.

Da die von Wang und seinen Kollegen vorgestellte Theorie ziemlich allgemein ist, könnte sie auf mehrere verschiedene experimentell realisierbare Systeme angewendet werden. Beispielsweise schlägt das Team eine experimentelle Realisierung ihres vorgeschlagenen Systems unter Verwendung schwerer 133Cs-Verunreinigungen in einer BCS-Fermi-Superflüssigkeit aus 6Li-Atomen vor, die bereits in einigen früheren Arbeiten realisiert worden war.

„Die Beiträge unserer Arbeit sind zweifach“, sagte Wang. „Zunächst haben wir ein Modell untersucht, das exakt gelöst werden kann und alle universellen Eigenschaften von Fermi-Polaronen angibt. Diese Eigenschaften wurden zuvor in verschiedenen Studien nur ungefähr berechnet, aber unsere Analyse zeigt, dass diese universellen Eigenschaften aus der Unterdrückung mehrerer Partikel-Loch-Anregungen der entstehen fermionischen Medium. Zweitens entdecken wir ein interessantes endliches Temperaturphänomen für eine magnetische Verunreinigung (die mit den beiden Komponenten des Suprafluids unterschiedlich stark wechselwirkt) in einem Zweikomponenten-Fermi-Superfluid.“

Als sie ihre Berechnungen durchführten, stellten die Forscher fest, dass das Polaron-Spektrum zusätzliche Verstärkungspeaks bei endlicher Temperatur aufwies, die dem Subgap-Yu-Shiba-Rusinov-gebundenen Zustand entsprachen. Ihre interessanten theoretischen Vorhersagen könnten bald in verschiedenen Physiklabors weltweit getestet werden.

„Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die Polaron-bezogene Theorie anwendet, um subgap Yu-Shiba-Rusinov-gebundene Zustände in ultrakalten Gasen zu untersuchen“, fügte Wang hinzu. „In unseren nächsten Studien planen wir, schwere Polaronen in anderen suprafluiden Systemen zu untersuchen, beispielsweise in topologischen Superfluiden. Wir hoffen, dass unsere Methode uns hilft, den topologischen Phasenübergang des Hintergrundmediums durch eine im Prinzip exakte Berechnung zu verstehen.“

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