Una nueva teoría desarrollada por físicos de la Universidad de Heidelberg une dos viejas ideas en competencia en la física cuántica, proporcionando una explicación unificada de cómo se comporta una partícula inusual en un entorno cuántico abarrotado. El trabajo combina dos descripciones aparentemente contradictorias de una única impureza en movimiento o casi inmóvil dentro de una gran colección de fermiones, un sistema conocido como el mar de Fermi.
El marco, desarrollado por investigadores del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg, explica cómo emergen las cuasipartículas y conectan dos estados cuánticos previamente desconectados. El equipo dijo que este avance podría tener implicaciones importantes para los experimentos que exploran la materia cuántica.
La nueva teoría unifica modelos cuánticos en competencia
La física cuántica de muchos cuerpos se ha basado durante mucho tiempo en varios modelos para explicar cómo las impurezas, como los electrones o átomos externos, interactúan con las partículas circundantes.
Una imagen bien establecida se basa en cuasipartículas. En este modelo, una única impureza se mueve a través de un mar de fermiones, incluidos electrones, protones o neutrones, mientras interactúa con partículas cercanas. A medida que viaja, efectivamente arrastra consigo partículas vecinas, formando una entidad colectiva llamada polarón de Fermi. Aunque se comporta como una sola partícula, esta cuasipartícula es en realidad una impureza y surge del movimiento colectivo de las partículas a su alrededor.
Este modelo de cuasipartículas se ha convertido en una herramienta fundamental para comprender sistemas que interactúan fuertemente, incluidos gases atómicos ultrafríos, materia en estado sólido y materia atómica, según Eugen Dizer, candidato a doctorado en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Heidelberg.
Resolviendo un rompecabezas cuántico de hace una década
Una imagen muy diferente surge cuando la impureza es extremadamente pesada y esencialmente inmóvil. En esta situación, la ortogonalidad de Anderson encierra un fenómeno llamado inversión.
En lugar de crear una cuasipartícula, la pesada impureza cambia el sistema cuántico de manera tan dramática que las funciones de onda de los fermiones circundantes pierden su forma original. El fondo complejo resultante impide el movimiento coherente necesario para la existencia de cuasipartículas.
Durante décadas, los físicos carecieron de una teoría que pudiera explicar cómo encajan estas dos descripciones tan diferentes. Utilizando una variedad de técnicas analíticas, el equipo de Heidelberg ha demostrado cómo integrar modelos de impurezas móviles y casi estacionarios en un único marco teórico.
Pequeños movimientos revelan conexiones faltantes
“El marco teórico que hemos desarrollado explica cómo surgen las cuasipartículas en sistemas con impurezas extremadamente pesadas, conectando dos paradigmas que durante mucho tiempo se han tratado por separado”, explica Eugen Dizer, miembro del Grupo de Trabajo de Teoría de la Materia Cuántica dirigido por el Prof. Dr. Richard Schmidt.
Los investigadores han descubierto que incluso las impurezas más pesadas no permanecen completamente inmóviles. A medida que el entorno se adapta, estas impurezas todavía se mueven ligeramente. Estos pequeños movimientos crean una brecha de energía que permite que las cuasipartículas escapen de lo que de otro modo seguiría siendo un fondo cuántico altamente correlacionado.
El nuevo marco explica naturalmente cómo los sistemas cuánticos pasan entre los llamados estados polarónicos y moleculares.
Materiales cuánticos e implicaciones para futuros experimentos.
Según el profesor Schmidt, la nueva teoría proporciona una forma versátil de describir impurezas cuánticas en diferentes dimensiones espaciales y diferentes tipos de interacciones.
“Nuestra investigación no sólo promueve la comprensión teórica de las impurezas cuánticas, sino que también es directamente relevante para los experimentos en curso con gases atómicos ultrafríos, materiales bidimensionales y nuevos semiconductores”, añadió el físico de Heidelberg.
La investigación se llevó a cabo a través del Grupo de Excelencia en 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.
