海德堡大学的物理学家们开发了一种新理论，将量子物理中长期竞争的两种思想结合在一起，为一种不寻常的粒子在拥挤的量子环境中的行为提供了统一的解释。这项工作连接了对单一杂质在大量费米子中移动或几乎静止的两种看似相反的描述，这一系统被称为费米海。由海德堡大学理论物理研究所的研究人员创建的这种框架解释了准粒子的出现，并连接了两个以前不相干的量子态。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。 新理论统一了竞争的量子模型 量子多体物理长期以来依赖不同的模型来解释诸如新奇电子或原子等杂质如何与周围粒子相互作用。一种经过验证的图景是基于准粒子的。在这种模型中，单一杂质在包括电子、质子或中子在内的费米子海中移动，同时与附近的粒子相互作用。随着它的移动，它有效地携带那些邻近的粒子，形成一个叫做费米极化子的结合实体。尽管它表现得像单一粒子，但这个准粒子实际上源于杂质和周围粒子的集体运动。 根据海德堡大学理论物理研究所的博士生尤根·迪泽的说法，这种准粒子模型已经成为理解强相互作用系统的重要工具，包括超冷原子气体、固态材料和核物质。 解决了一个几十年的量子难题 当杂质非常重并且几乎无法运动时，会出现一个截然不同的图景。在这种情况下，一种被称为安德森正交性灾难的现象主导了情况。重杂质不会产生准粒子，而是极大地改变了量子系统，以至于周围费米子的波函数失去了原始形式。由此产生的复杂背景阻止了准粒子所需的协调运动。几十年来，物理学家缺乏一个理论来解释这两种截然不同的描述如何结合在一起。海德堡团队通过一系列分析技术，现已展示了移动和几乎不动的杂质模型如何在一个单一的理论框架内统一。 微小运动揭示缺失的联系 “我们开发的理论框架解释了如何在具有极重杂质的系统中产生准粒子，连接了长期被分别看待的两种范式，”量子物质理论工作组的成员尤根·迪泽解释道，该工作组由理查德·施密特教授领导。研究人员发现，即使是极重的杂质也并非绝对静止。随着周围环境的调整，这些杂质仍然会发生微小的运动。这些小运动创造了一个能量间隙，使准粒子从本将保持高度相关的量子背景中产生。新的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换。 对量子材料及未来实验的影响 施密特教授表示，这一新理论提供了一种在不同空间维度和多种相互作用中描述量子杂质的多功能方法。“我们的研究不仅推进了对量子杂质的理论理解，还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，”海德堡物理学家补充道。这项研究是通过海德堡大学的 STRUCTURES 卓越集群和 ISOQUANT 协作研究中心 1225 进行的。研究结果已发表在《物理评论快报》期刊上。