Un modelo que puede predecir las propiedades exactas de las cuasipartículas de los polarones pesados de Fermi


Los físicos que estudian la física cuántica de muchos cuerpos rara vez llegan a soluciones o conclusiones exactas, particularmente en más de una dimensión. Esto también es cierto para el problema del polarón de Fermi, que describe instancias en las que el fondo cuántico de muchos cuerpos es un gas de Fermi que no interactúa.

El problema del polarón de Fermi se ha estudiado extensamente durante la última década más o menos. Sin embargo, predecir las propiedades de las cuasipartículas de los polarones de Fermi con altos niveles de confianza hasta ahora ha resultado ser un gran desafío.

Un bosquejo de la ocupación y estructura del espectro de una sola partícula de un superfluido BCS de dos componentes. (a) muestra el espectro cuando la impureza está en los estados que no interactúan (flecha negra hacia arriba). (b) y (c) muestran el espectro cuando la interacción de impurezas está activa (flechas negras hacia abajo) a temperatura cero y finita, respectivamente. El espectro de absorción con los parámetros $T=0.1E_F$ y $k_Fa=-2$ en (d) muestra las características polarónicas universales. Además, a temperatura finita, existen canales de decaimiento adicionales [flechas verde y púrpura en (c)] a través de Yu-Shiba-Rusinov dentro de la brecha, lo que da lugar a picos de resonancia adicionales (característica YSR). Crédito: Wang, Liu y Hu.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Swinburne introdujeron recientemente un modelo que podría usarse para predecir las propiedades exactas de las cuasipartículas de un polarón pesado en los superfluidos Fermi de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Su artículo, publicado en Physical Review Letters, presenta una solución teórica y exacta para un sistema de muchos cuerpos, que eventualmente podría probarse y realizarse en entornos experimentales.

El estudio reciente se basa en uno de los artículos anteriores del equipo publicado en Physical Review A. Este trabajo anterior se centró específicamente en los polarones cruzados con una impureza móvil.

«Nuestro trabajo anterior y muchos otros estudios teóricos de polarones que utilizan varios métodos de aproximación dan algunas características universales (como la existencia de polarones atractivos/repulsivos y un continuo oscuro)», dijo Jia Wang, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. Phys.org. «Creemos que la supresión de múltiples excitaciones de cuasipartículas en el medio de fondo es el mecanismo subyacente a estas características».

Wang y sus colegas creen que el mecanismo que sustenta las características universales de los polarones de Fermi podría ser la energía de retroceso de una impureza móvil o la existencia de una brecha de energía en un superfluido. Sin embargo, para que su hipótesis fuera verificable en un entorno experimental, primero tenían que representarla teóricamente.

«Nos encontramos con un artículo fascinante, que estudiaba las impurezas inmóviles en los gases de Fermi que no interactúan», dijo Wang. «Este modelo se puede resolver exactamente usando un método de ‘enfoque determinante funcional (FDA)’. Sin embargo, los polarones no existen en tales sistemas debido a la famosa ‘catástrofe de la ortogonalidad de Anderson’. Esencialmente, esto se debe a que la impureza inmóvil no tiene energía de retroceso, y la existencia de múltiples excitaciones de agujeros de partículas destruye la resonancia del polarón».

En el sistema de muchos cuerpos descrito por Wang y sus colegas, la presencia de un espacio superfluido puede suprimir las múltiples excitaciones de agujeros de partículas del polarón. Por lo tanto, se propusieron extender el método FDA, que generalmente no se aplica a los polarones de Fermi, a su sistema superfluido BCS.

«También queríamos investigar experimentalmente las excitaciones superfluidas de Fermi, que han sido un tema de investigación de larga data», explicó Wang. «Varios experimentos se han dado cuenta recientemente de la introducción de otra especie de átomos, que pueden desempeñar el papel de impurezas, en un superfluido BCS. Nuestras predicciones muestran que en estos sistemas accesibles, uno puede usar el espectro polaron de impurezas para medir las características de la excitación del superfluido de fondo. espectro (como la brecha superfluida y el estado sub-brecha Yu-Shiba-Rusinov)».

Si bien los cálculos realizados por Wang y sus colegas técnicamente asumen impurezas inmóviles en un sistema, también brindan una buena aproximación de las impurezas pesadas. Alternativamente, en entornos experimentales, los físicos deberían poder localizar impurezas utilizando una red óptica profunda.

«El nuestro fue un estudio teórico», explicó Wang. «Nuestro modelo considera un sistema de impurezas inmóviles en un superfluido de Fermi de dos componentes. La impureza tiene dos estados internos (estados de espín hiperfino), y asumimos que uno interactúa fuertemente con el superfluido y el otro no interactúa».

Usando su modelo teórico basado en la FDA, los investigadores pudieron revelar todas las características universales de polaron, con un simple cálculo exacto en principio. Este es un logro notable, ya que los estudios anteriores no habían podido probar rigurosamente todas las propiedades exactas y universales de las cuasipartículas de los sistemas Fermi polaron.

«Preparando la impureza inicialmente en el estado de no interacción, calculamos la probabilidad de que la impureza absorba un fotón y cambie al estado de fuerte interacción en función de la frecuencia del fotón, que denotamos como A (ω)», dijo Wang. «Supongamos que esta probabilidad de absorción muestra un pico pronunciado alrededor de alguna frecuencia ω, esto indica la existencia de una cuasipartícula con energía ℏ ω, que llamamos polarón cruzado pesado».

En el futuro, el trabajo teórico realizado por este equipo de investigadores podría allanar el camino para experimentos de laboratorio con átomos fríos que prueben su hipótesis. Además, los físicos también podrían inspirarse en su artículo para realizar pruebas ligeramente diferentes conocidas como «experimentos de tipo de interferencia de Ramsey», que involucran algunos de los procesos y detalles técnicos descritos en su artículo.

El espectro polaron en función de la fuerza de interacción (1/a) y la frecuencia. Las características adicionales que aparecen a temperaturas finitas se deben a la existencia de los estados Yu-Shiba-Rusinov en la brecha. Las posiciones de estas nuevas características (curvas rojas discontinuas y punteadas) están determinadas cuantitativamente por las energías polaron, la brecha superfluida y las energías del estado Yu-Shiba-Rusinov. Crédito: Wang, Liu y Hu

Dado que la teoría presentada por Wang y sus colegas es bastante general, podría aplicarse a varios sistemas diferentes realizables experimentalmente. Por ejemplo, el equipo sugiere una realización experimental de su sistema propuesto utilizando impurezas pesadas de 133Cs en un superfluido BCS Fermi de átomos de 6Li, que ya se había realizado en algunos trabajos anteriores.

«Las contribuciones de nuestro trabajo son dobles», dijo Wang. «En primer lugar, investigamos un modelo que se puede resolver con exactitud y proporciona todas las características universales de los polarones de Fermi. Estas características solo se han calculado aproximadamente en varios estudios anteriores, pero nuestro análisis indica que estas características universales se originan al suprimir múltiples excitaciones de agujeros de partículas del medio fermiónico. En segundo lugar, descubrimos un interesante fenómeno de temperatura finita para una impureza magnética (que interactúa con los dos componentes del superfluido con diferentes fuerzas) en un superfluido de Fermi de dos componentes».

Cuando realizaron sus cálculos, los investigadores encontraron que el espectro de polarón exhibía picos de mejora adicionales a temperatura finita, que correspondía al estado límite de subbrecha Yu-Shiba-Rusinov. Sus interesantes predicciones teóricas pronto podrían probarse en diferentes laboratorios de física en todo el mundo.

«Hasta donde sabemos, este es el primer estudio que aplica la teoría relacionada con el polarón para investigar los estados unidos de subbrecha Yu-Shiba-Rusinov en gases ultrafríos», agregó Wang. «En nuestros próximos estudios, planeamos investigar polarones pesados en otros sistemas superfluidos, como el superfluido topológico. Esperamos que nuestro método nos ayude a comprender la transición de fase topológica del medio de fondo a través de un cálculo exacto en principio».

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