Des physiciens de l'université de Heidelberg ont développé une théorie qui unit deux visions contradictoires sur le comportement des impuretés dans les systèmes quantiques à plusieurs corps. Ce cadre explique comment même des particules extrêmement lourdes peuvent permettre la formation de quasiparticules par de minuscules mouvements. Cette avancée pourrait impacter les expériences sur les gaz ultrafroids et les matériaux avancés.
Des chercheurs de l'Institut de physique théorique de l'université de Heidelberg ont créé un nouveau cadre théorique abordant un puzzle vieux de décennies en physique quantique à plusieurs corps. Le travail se concentre sur le comportement d'une seule particule inhabituelle, comme un électron ou un atome exotique, au sein d'un environnement encombré de fermions, souvent appelé mer de Fermi. Auparavant, les scientifiques considéraient de telles impuretés de deux manières incompatibles : soit comme des entités mobiles formant des quasiparticules appelées polarons de Fermi, soit comme des perturbateurs presque stationnaires dans la catastrophe d'orthogonalité d'Anderson, où les impuretés lourdes modifient les fonctions d'onde environnantes et empêchent l'émergence de quasiparticules. Le modèle de l'équipe de Heidelberg relie ces paradigmes en montrant que même les impuretés très lourdes ne sont pas parfaitement immobiles. Tandis que le système environnant s'ajuste, ces particules effectuent de légers déplacements qui créent un écart d'énergie, permettant la formation de quasiparticules dans des environnements fortement corrélés. Cette compréhension explique également la transition des états polaroniques aux états quantiques moléculaires. « Le cadre théorique que nous avons développé explique comment les quasiparticules émergent dans des systèmes avec une impureté extrêmement lourde, reliant deux paradigmes longtemps traités séparément », a déclaré Eugen Dizer, doctorant dans le groupe Théorie de la matière quantique dirigé par le prof. Dr. Richard Schmidt. La théorie s'applique à diverses dimensions et types d'interactions, offrant un outil polyvalent pour décrire les impuretés quantiques. Le prof. Schmidt a noté : « Nos recherches non seulement font progresser la compréhension théorique des impuretés quantiques, mais sont aussi directement pertinentes pour les expériences en cours avec des gaz atomiques ultrafroids, des matériaux bidimensionnels et des semi-conducteurs novateurs. » Réalisées dans le cadre du Cluster of Excellence STRUCTURES de l'université de Heidelberg et du Centre de recherche collaboratif ISOQUANT 1225, les découvertes paraissent dans Physical Review Letters sous le titre « Mass-Gap Description of Heavy Impurities in Fermi Gases » par Xin Chen, Eugen Dizer, Emilio Ramos Rodríguez et Richard Schmidt.