Físicos da Universidade de Heidelberg desenvolveram uma teoria que une duas visões conflitantes sobre como impurezas se comportam em sistemas quânticos de muitos corpos. A estrutura explica como até partículas extremamente pesadas podem permitir a formação de quasipartículas por meio de movimentos minúsculos. Esse avanço pode impactar experimentos em gases ultrafrios e materiais avançados.
Pesquisadores do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg criaram um novo quadro teórico que aborda um enigma de décadas na física quântica de muitos corpos. O trabalho foca no comportamento de uma única partícula incomum, como um elétron ou átomo exótico, em um ambiente lotado de férmions, frequentemente chamado de mar de Fermi. Anteriormente, os cientistas viam tais impurezas de duas maneiras incompatíveis: ou como entidades móveis que formam quasipartículas chamadas polarons de Fermi ou como perturbadores quase estacionários na catástrofe de ortogonalidade de Anderson, onde impurezas pesadas alteram as funções de onda ao redor e impedem a emergência de quasipartículas. O modelo da equipe de Heidelberg une esses paradigmas mostrando que mesmo impurezas muito pesadas não são perfeitamente imóveis. À medida que o sistema ao redor se ajusta, essas partículas fazem pequenos deslocamentos que criam uma lacuna de energia, permitindo a formação de quasipartículas em ambientes fortemente correlacionados. Essa visão também explica a transição de estados polaronicos para estados quânticos moleculares. «O quadro teórico que desenvolvemos explica como as quasipartículas emergem em sistemas com uma impureza extremamente pesada, conectando dois paradigmas que há muito tempo são tratados separadamente», disse Eugen Dizer, candidato a doutorado no grupo de Teoria da Matéria Quântica liderado pelo Prof. Dr. Richard Schmidt. A teoria se aplica a várias dimensões e tipos de interação, oferecendo uma ferramenta versátil para descrever impurezas quânticas. O Prof. Schmidt observou: «Nossa pesquisa não só avança a compreensão teórica das impurezas quânticas, mas também é diretamente relevante para experimentos em andamento com gases atômicos ultrafrios, materiais bidimensionais e semicondutores inovadores». Realizado sob o Cluster of Excellence STRUCTURES da Universidade de Heidelberg e o Centro de Pesquisa Colaborativo ISOQUANT 1225, os achados aparecem em Physical Review Letters sob o título «Mass-Gap Description of Heavy Impurities in Fermi Gases», de Xin Chen, Eugen Dizer, Emilio Ramos Rodríguez e Richard Schmidt.