Uno schizzo dell'occupazione e della struttura dello spettro di singole particelle di un superfluido BCS a due componenti. (a) mostra lo spettro quando l'impurità si trova negli stati non interagenti (freccia nera in alto). (b) e (c) mostrano lo spettro quando l'interazione dell'impurità è attiva (frecce nere verso il basso) rispettivamente a temperatura zero e finita. Lo spettro di assorbimento con i parametri $T=0.1E_F$ e $k_Fa=-2$ in (d) mostra le caratteristiche universali del polarone. Inoltre, a temperatura finita, esistono ulteriori canali di decadimento [frecce verdi e viola in (c)) attraverso Yu-Shiba-Rusinov all'interno del divario, dando origine a picchi di risonanza aggiuntivi (caratteristica YSR). Credito:Wang, Liu e Hu.
I fisici che studiano la fisica quantistica a molti corpi molto raramente raggiungono soluzioni o conclusioni esatte, in particolare in più di una dimensione. Questo vale anche per il problema del polarone di Fermi, che descrive casi in cui lo sfondo quantistico a molti corpi è un gas di Fermi non interagente.
Il problema del polarone di Fermi è stato ampiamente studiato negli ultimi dieci anni circa. Tuttavia, la previsione delle proprietà quasi-particellari dei polaroni di Fermi con alti livelli di confidenza si è finora rivelata molto impegnativa.
I ricercatori della Swinburne University of Technology hanno recentemente introdotto un modello che potrebbe essere utilizzato per prevedere le proprietà esatte delle quasi-particelle di un polarone pesante nei superfluidi Fermi di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , introduce una soluzione teorica ed esatta per un sistema a molti corpi, che potrebbe eventualmente essere testata e realizzata in contesti sperimentali.
Il recente studio si basa su uno dei precedenti articoli del team pubblicati in Physical Review A . Questo lavoro passato si è concentrato specificamente sui polaroni incrociati con un'impurità mobile.
"Il nostro lavoro precedente e molti altri studi teorici sui polaroni che utilizzano vari metodi di approssimazione forniscono alcune caratteristiche universali (come l'esistenza di polaroni attraenti/repulsivi e un continuum oscuro)", ha detto Jia Wang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio Phys.org. "Riteniamo che la soppressione di eccitazioni multiple di quasiparticelle nel mezzo di fondo sia il meccanismo alla base di queste caratteristiche."
Wang e i suoi colleghi ritengono che il meccanismo alla base delle caratteristiche universali dei polaroni di Fermi potrebbe essere l'energia di rinculo di un'impurità mobile o l'esistenza di un gap energetico in un superfluido. Perché la loro ipotesi fosse verificabile in un contesto sperimentale, tuttavia, dovevano prima rappresentarla teoricamente.
"Ci siamo imbattuti in un documento affascinante, che ha studiato le impurità immobili nei gas di Fermi non interagenti", ha detto Wang. "Questo modello è esattamente risolvibile utilizzando un metodo di 'approccio funzionale determinante (FDA)'. Tuttavia, i polaroni non esistono in tali sistemi a causa della famosa 'catastrofe dell'ortogonalità di Anderson.' In sostanza, ciò è dovuto al fatto che l'impurità immobile non ha energia di rinculo e l'esistenza di eccitazioni multiple di buchi di particelle distrugge la risonanza del polarone."
Nel sistema a molti corpi descritto da Wang e dai suoi colleghi, la presenza di un gap superfluido può sopprimere le eccitazioni multiple del buco delle particelle del polarone. Pertanto, hanno deciso di estendere il metodo FDA, che è tipicamente inapplicabile ai polaroni di Fermi, al loro sistema superfluido BCS.
"Volevamo anche studiare sperimentalmente le eccitazioni superfluide di Fermi, che sono state un argomento di ricerca di lunga data", ha spiegato Wang. "Diversi esperimenti hanno recentemente realizzato l'introduzione di un'altra specie di atomi, che possono svolgere il ruolo di impurità, in un superfluido BCS. Le nostre previsioni mostrano che in questi sistemi accessibili, è possibile utilizzare lo spettro polaronico delle impurità per misurare le caratteristiche dell'eccitazione del superfluido di fondo spettro (come il divario superfluido e lo stato di sottovuoto Yu-Shiba-Rusinov)."
Lo spettro del polarone in funzione della forza di interazione (1/a) e della frequenza. Le caratteristiche aggiuntive che si manifestano a temperature limitate sono dovute all'esistenza degli stati Yu-Shiba-Rusinov in-gap. Le posizioni di queste nuove caratteristiche (curve tratteggiate e tratteggiate rosse) sono determinate quantitativamente dalle energie del polarone, dal gap superfluido e dalle energie dello stato Yu-Shiba-Rusinov. Credito:Wang, Liu e Hu.
Mentre i calcoli effettuati da Wang e dai suoi colleghi presuppongono tecnicamente l'impurità immobile in un sistema, forniscono anche una buona approssimazione delle impurità pesanti. In alternativa, in contesti sperimentali, i fisici dovrebbero essere in grado di localizzare le impurità utilizzando un reticolo ottico profondo.
"Il nostro era uno studio teorico", ha spiegato Wang. "Il nostro modello considera un sistema di impurità immobile in un superfluido Fermi a due componenti. L'impurità ha due stati interni (stati di spin iperfini) e assumiamo che uno interagisca fortemente con il superfluido e l'altro non interagisca."
Utilizzando il loro modello teorico basato sulla FDA, i ricercatori sono stati in grado di svelare tutte le caratteristiche universali del polarone, con un semplice calcolo esatto in linea di principio. Questo è un risultato notevole, poiché studi precedenti non erano stati in grado di dimostrare rigorosamente tutte le proprietà quasi-particellari esatte e universali dei sistemi di Fermi polaron.
"Preparando l'impurità inizialmente allo stato non interagente, abbiamo calcolato la probabilità che l'impurità assorba un fotone e passi allo stato fortemente interagente in funzione della frequenza del fotone, che indichiamo come A(ω)", ha detto Wang. "Supponiamo che questa probabilità di assorbimento mostri un picco acuto attorno a una certa frequenza ω, questo indica l'esistenza di una quasiparticella con energia ℏ ω, che chiamiamo polarone crossover pesante."
In futuro, il lavoro teorico condotto da questo team di ricercatori potrebbe aprire la strada a esperimenti di laboratorio con atomi freddi per testare la loro ipotesi. Inoltre, i fisici potrebbero anche trarre ispirazione dal loro articolo per condurre test leggermente diversi noti come "esperimenti di tipo con interferenza di Ramsey", che coinvolgono alcuni dei processi e dei dettagli tecnici descritti nel loro articolo.
Poiché la teoria presentata da Wang e dai suoi colleghi è abbastanza generale, potrebbe essere applicata a diversi sistemi realizzabili sperimentalmente. Ad esempio, il team suggerisce una realizzazione sperimentale del loro sistema proposto utilizzando pesanti impurità di 133C in un superfluido BCS Fermi di 6 atomi di Li, che era già stato realizzato in alcuni lavori precedenti.
"I contributi del nostro lavoro sono duplici", ha detto Wang. "In primo luogo, abbiamo studiato un modello che può essere risolto esattamente e fornisce tutte le caratteristiche universali dei polaroni di Fermi. Queste caratteristiche sono state calcolate solo approssimativamente in vari studi in precedenza, ma la nostra analisi indica che queste caratteristiche universali derivano dalla soppressione delle eccitazioni multiple del buco delle particelle del mezzo fermionico. In secondo luogo, scopriamo un interessante fenomeno di temperatura finita per un'impurità magnetica (che interagisce con le due componenti del superfluido con forze diverse) in un superfluido di Fermi a due componenti."
Quando hanno condotto i loro calcoli, i ricercatori hanno scoperto che lo spettro del polarone mostrava picchi di potenziamento aggiuntivi a temperatura finita, che corrispondevano allo stato legato del sottogap Yu-Shiba-Rusinov. Le loro interessanti previsioni teoriche potrebbero presto essere testate in diversi laboratori di fisica in tutto il mondo.
"Per quanto ne sappiamo, questo è il primo studio che applica la teoria relativa al polarone per studiare gli stati legati del sottogap Yu-Shiba-Rusinov nei gas ultrafreddi", ha aggiunto Wang. "Nei nostri prossimi studi, prevediamo di studiare i polaroni pesanti in altri sistemi superfluidi, come il superfluido topologico. Speriamo che il nostro metodo ci aiuti a comprendere la transizione di fase topologica del mezzo di fondo tramite un calcolo esatto in linea di principio". + Esplora ulteriormente
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