محققان مؤسسه فیزیک نظری در دانشگاه هایدلبرگ، نظریه جدیدی ارائه کردهاند که دو دیدگاه اصلی در فیزیک کوانتوم مدرن را به هم مرتبط میکند. این پژوهش بر نحوه رفتار یک ذره غیرمعمول در یک سیستم «چند-ذرهای» (Many-body) مملو از فرمیونها (که اغلب دریای فرمی نامیده میشود) تمرکز دارد. در این محیط، ذره میتواند هم به عنوان چیزی که در سیستم حرکت میکند عمل کند و هم به عنوان یک ناخالصی تقریباً ثابت در دل آن جای بگیرد.
چارچوب جدید توضیح میدهد که «شبهذرات» چگونه پدید میآیند و دو حالت کوانتومی را که پیش از این مجزا تلقی میشدند، به هم متصل میکند. به گفته تیم هایدلبرگ، این رویکرد یکپارچه میتواند تأثیر بسزایی بر آزمایشهای فعلی در حوزه ماده کوانتومی بگذارد.
مدل شبهذره و پولارون فرمی
فیزیکدانان مدتهاست بر سر نحوه تعامل ناخالصیها (یعنی الکترونها یا اتمهای عجیب) با تعداد زیادی از ذرات پیرامون بحث کردهاند. در تصویرِ بهشدت پذیرفتهشدهی «شبهذره»، یک تکذره در دریایی از فرمیونها (مانند الکترونها، پروتونها یا نوترونها) حرکت کرده و مدام با همسایگان خود تعامل دارد. این ذره هنگام حرکت، ذرات اطراف را نیز با خود میکشد و موجودیت ترکیبی جدیدی به نام پولارون فرمی (Fermi Polaron) ایجاد میکند. اگرچه این ترکیب مانند یک ذره واحد رفتار میکند، اما در واقع بازتابی از حرکت هماهنگ ناخالصی و ذرات اطراف آن است.
به گفته «اوگن دیزر»، دانشجوی دکترا در دانشگاه هایدلبرگ، این مفهوم برای درک سیستمهایی با تعامل قوی، از گازهای اتمی فوقسرد گرفته تا مواد جامد و حتی ماده هستهای، ضروری است.
فاجعه متعامد بودن اندرسون و ناخالصیهای سنگین
شرایط بسیار متفاوتی در پدیدهای موسوم به «فاجعه متعامد بودن اندرسون» (Anderson’s Orthogonality Catastrophe) رخ میدهد. این اثر زمانی ظاهر میشود که ناخالصی بسیار سنگین و عملاً بیحرکت باشد. حضور این ناخالصی، سیستم چند-ذرهای را چنان عمیقاً تحت تأثیر قرار میدهد که تابع موج فرمیونهای اطراف کاملاً تغییر میکند. آنها شکل اصلی خود را از دست داده و پسزمینه پیچیدهای ایجاد میکنند که مانع از حرکت هماهنگ و تشکیل شبهذرات میشود.
برای دههها، فیزیکدانان نظریهای نداشتند که بتواند این حالت ایستا (ثابت) را به مدل شبهذرهی متحرک پیوند بزند. اکنون محققان هایدلبرگ با بهکارگیری مجموعهای از تکنیکهای تحلیلی، این دو توصیف را در یک چارچوب واحد در کنار هم قرار دادهاند.
چگونه حرکتهای جزئی باعث ظهور شبهذرات میشود؟
اوگن دیزر، عضو گروه نظریه ماده کوانتومی به سرپرستی پروفسور ریچارد اشمیت، میگوید:
چارچوب نظری که ما توسعه دادیم، توضیح میدهد که شبهذرات چگونه در سیستمهایی با ناخالصی بسیار سنگین پدید میآیند؛ امری که دو پارادایم قدیمی را که مدتها جدا از هم بررسی میشدند، به هم وصل میکند.
یافته کلیدی این نظریه جدید این است که حتی ناخالصیهای بسیار سنگین هم کاملاً بیحرکت نیستند. همانطور که محیط اطراف خود را با حضور آنها وفق میدهد، این ذرات دچار حرکات بسیار ظریفی میشوند. این جابهجاییهای کوچک، یک «شکاف انرژی» (Energy Gap) ایجاد میکنند که اجازه میدهد شبهذرات، علیرغم وجود آن پسزمینه پیچیده و همبسته، شکل بگیرند.
محققان همچنین نشان دادند که این مکانیسم بهطور طبیعی گذار از حالتهای کوانتومی پولارونیک به حالتهای کوانتومی مولکولی را توجیه میکند.
کاربرد در آزمایشها و مواد کوانتومی
پروفسور اشمیت خاطرنشان میکند که این نتایج، راهی همهجانبه برای توصیف ناخالصیها در ابعاد فضایی و انواع تعاملات مختلف ارائه میدهد. او میگوید:
تحقیق ما نهتنها درک نظری از ناخالصیهای کوانتومی را ارتقا میدهد، بلکه مستقیماً با آزمایشهای در حال انجام روی گازهای اتمی فوقسرد، مواد دوبعدی و نیمههادیهای نوین مرتبط است.
نتایج این یافتهها در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شده است.
منبع: Scitechdaily
