Los físicos han desarrollado una nueva teoría que une dos áreas principales de la física cuántica moderna. El trabajo explica cómo se comporta una sola partícula anómala dentro de un entorno cuántico abarrotado conocido como sistema de muchos cuerpos. En este contexto, la partícula puede actuar como algo que se mueve libremente o como algo casi estacionario dentro de una gran colección de fermiones, a menudo llamado mar de Fermi. Investigadores del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg desarrollaron este marco para comprender cómo se forman las cuasipartículas y vincular dos estados cuánticos que antes se pensaba que eran incompatibles. Dicen que los hallazgos podrían influir fuertemente en los experimentos en curso con materiales cuánticos.
En la física cuántica de muchos cuerpos, los científicos han debatido durante mucho tiempo cómo se comportan las impurezas cuando están rodeadas por un gran número de otras partículas. Estas impurezas pueden ser electrones o átomos inusuales (es decir, electrones o átomos extraños). Una explicación ampliamente utilizada es el modelo de cuasipartículas. En esta imagen, una sola partícula se mueve a través de un mar de fermiones como electrones, protones o neutrones e interactúa constantemente con su entorno. A medida que viaja, arrastra consigo partículas cercanas, formando una entidad colectiva llamada polarón de Fermi. Aunque se comporta como una sola partícula, esta cuasipartícula surge de la impureza y del impulso compartido de su entorno. Como señala Eugen Dizer, candidato a doctorado en la Universidad de Heidelberg, este concepto se ha vuelto fundamental para la comprensión de sistemas que interactúan fuertemente, desde gases ultrafríos hasta sólidos y materia nuclear.
Cuando las partículas pesadas perturban el sistema.
Un escenario muy diferente ocurre en un fenómeno conocido como catástrofe de la ortogonalidad de Anderson. Esto sucede cuando una impureza es tan pesada que apenas se mueve. Su presencia altera dramáticamente el sistema circundante. Las funciones de onda de los fermiones varían tan drásticamente que pierden su forma original, creando un fondo complejo donde el movimiento coherente se rompe. En estas condiciones, no se pueden formar cuasipartículas. Hasta ahora, los físicos no tenían una teoría clara que relacionara este caso extremo con la imagen borrosa de los móviles. Al aplicar una variedad de herramientas analíticas, el equipo de Heidelberg pudo combinar estas dos narrativas en un solo marco.
Pequeño ritmo con grandes resultados
“El marco teórico que hemos desarrollado explica cómo surgen las cuasipartículas en sistemas con impurezas muy pesadas, conectando dos paradigmas que durante mucho tiempo se han tratado por separado”, explica Eugen Dizer, que trabaja en el Grupo de Teoría de la Materia Cuántica dirigido por el Prof. Dr. Richard Schmidt. Una idea clave detrás de la teoría es que incluso las impurezas muy pesadas no son perfectamente estables. Estas partículas experimentan pequeños movimientos a medida que se adaptan a su entorno. Estos pequeños cambios crean una brecha de energía que hace posible que se formen cuasipartículas, incluso en un entorno fuertemente correlacionado. Los investigadores también demostraron que este proceso explica naturalmente la transición del estado polarónico al estado cuántico molecular.
Implicaciones para los experimentos cuánticos.
El profesor Schmidt dijo que los nuevos hallazgos ofrecen una forma flexible de describir impurezas que se pueden aplicar en diferentes dimensiones y tipos de interacción. “Nuestra investigación no sólo avanza en la comprensión teórica de las impurezas cuánticas, sino que es directamente relevante para los experimentos en curso con gases atómicos ultrafríos, materiales bidimensionales y nuevos semiconductores”, añadió.
La investigación se llevó a cabo como parte del Grupo de Excelencia de Estructuras de la Universidad de Heidelberg y el Centro de Investigación Colaborativa ISOQuant 1225. Los resultados se publicaron en la revista carta de revisión física.
