Os físicos que estudam a física quântica de muitos corpos raramente chegam a soluções ou conclusões exatas, particularmente em mais de uma dimensão. Isso também é verdade para o problema de Fermi polaron, descrevendo casos em que o fundo quântico de muitos corpos é um gás de Fermi que não interage.
O problema de Fermi polaron tem sido estudado extensivamente ao longo da última década. No entanto, prever as propriedades de quase partículas de Fermi polarons com altos níveis de confiança até agora provou ser muito desafiador.

Pesquisadores da Swinburne University of Technology introduziram recentemente um modelo que pode ser usado para prever as propriedades exatas de quase partículas de um polaron pesado em superfluidos Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Fermi. Seu artigo, publicado em Physical Review Letters , apresenta uma solução teórica e exata para um sistema de muitos corpos, que poderia eventualmente ser testado e realizado em ambientes experimentais.

O estudo recente se baseia em um dos artigos anteriores da equipe publicados na Physical Review A . Este trabalho anterior se concentrou especificamente em polarons cruzados com uma impureza móvel.

"Nosso trabalho anterior e muitos outros estudos teóricos de polarons usando vários métodos de aproximação fornecem algumas características universais (como a existência de polarons atraentes/repulsivos e um continuum escuro)", disse Jia Wang, um dos pesquisadores que realizaram o estudo. Phys.org. "Acreditamos que a supressão de múltiplas excitações de quasipartículas no meio de fundo é o mecanismo subjacente a essas características".

Wang e seus colegas acreditam que o mecanismo que sustenta as características universais de Fermi polarons pode ser a energia de recuo de uma impureza móvel ou a existência de uma lacuna de energia em um superfluido. Para que sua hipótese fosse verificável em um cenário experimental, no entanto, eles primeiro tiveram que representá-la teoricamente.

"Encontramos um artigo fascinante, que estudou impurezas imóveis em gases Fermi que não interagem", disse Wang. "Este modelo é exatamente solúvel usando um método de 'abordagem determinante funcional (FDA)'. No entanto, os polarons não existem em tais sistemas devido à famosa 'catástrofe da ortogonalidade de Anderson'. Essencialmente, isso ocorre porque a impureza imóvel não tem energia de recuo, e a existência de múltiplas excitações de buracos de partículas destrói a ressonância do polaron."

No sistema de muitos corpos descrito por Wang e seus colegas, a presença de uma lacuna superfluida pode suprimir as múltiplas excitações de buracos de partículas do polaron. Portanto, eles decidiram estender o método FDA, que normalmente é inaplicável a Fermi polarons, ao seu sistema superfluido BCS.

"Também queríamos investigar experimentalmente as excitações do superfluido de Fermi, que têm sido um tópico de pesquisa de longa data", explicou Wang. "Vários experimentos realizaram recentemente a introdução de outras espécies de átomos, que podem desempenhar o papel de impurezas, em um superfluido BCS. Nossas previsões mostram que nesses sistemas acessíveis, pode-se usar o espectro polaron de impurezas para medir características da excitação do superfluido de fundo espectro (como a lacuna superfluida e o estado sub-gap Yu-Shiba-Rusinov)."

Embora os cálculos realizados por Wang e seus colegas tecnicamente assumam impureza imóvel em um sistema, eles também fornecem uma boa aproximação de impurezas pesadas. Alternativamente, em ambientes experimentais, os físicos devem ser capazes de localizar impurezas usando uma rede óptica profunda.

"O nosso foi um estudo teórico", explicou Wang. "Nosso modelo considera um sistema de impureza imóvel em um superfluido de Fermi de dois componentes. A impureza tem dois estados internos (estados de spin hiperfino), e assumimos que um interage fortemente com o superfluido e o outro não interage."

Usando seu modelo teórico baseado na FDA, os pesquisadores foram capazes de desvendar todos os recursos universais do polaron, com um simples cálculo exato em princípio. Esta é uma conquista notável, pois estudos anteriores foram incapazes de provar rigorosamente todas as propriedades exatas e universais de quase partículas dos sistemas Fermi polaron.

“Preparando a impureza inicialmente no estado sem interação, calculamos a probabilidade da impureza absorver um fóton e mudar para o estado de interação forte em função da frequência do fóton, que denotamos como A(ω)”, disse Wang. "Suponha que essa probabilidade de absorção mostre um pico acentuado em torno de alguma frequência ω, isso indica a existência de uma quase-partícula com energia ℏ ω, que chamamos de polaron crossover pesado."

No futuro, o trabalho teórico realizado por essa equipe de pesquisadores poderá abrir caminho para experimentos de laboratório com átomos frios testando sua hipótese. Além disso, os físicos também podem se inspirar em seu artigo para realizar testes ligeiramente diferentes, conhecidos como “experiências do tipo interferência de Ramsey”, que envolvem alguns dos processos e detalhes técnicos descritos em seu artigo.

Como a teoria apresentada por Wang e seus colegas é bastante geral, ela pode ser aplicada a vários sistemas diferentes realizáveis ​​experimentalmente. Por exemplo, a equipe sugere uma realização experimental de seu sistema proposto usando impurezas pesadas de 133Cs em um superfluido BCS Fermi de átomos de 6Li, que já havia sido realizado em alguns trabalhos anteriores.

"As contribuições do nosso trabalho são duplas", disse Wang. "Em primeiro lugar, investigamos um modelo que pode ser resolvido exatamente e fornece todas as características universais de Fermi polarons. Essas características só foram calculadas aproximadamente em vários estudos anteriores, mas nossa análise indica que essas características universais se originam da supressão de múltiplas excitações de buracos de partículas do Em segundo lugar, descobrimos um fenômeno de temperatura finita interessante para uma impureza magnética (que interage com os dois componentes do superfluido com diferentes intensidades) em um superfluido Fermi de dois componentes."

Quando eles conduziram seus cálculos, os pesquisadores descobriram que o espectro polaron exibia picos de aprimoramento adicionais em temperatura finita, o que correspondia ao estado ligado ao subgap Yu-Shiba-Rusinov. Suas interessantes previsões teóricas poderão em breve ser testadas em diferentes laboratórios de física em todo o mundo.

"Até onde sabemos, este é o primeiro estudo que aplica a teoria relacionada ao polaron para investigar os estados ligados ao subgap Yu-Shiba-Rusinov em gases ultrafrios", acrescentou Wang. "Em nossos próximos estudos, planejamos investigar polarons pesados ​​em outros sistemas superfluidos, como o superfluido topológico. Esperamos que nosso método nos ajude a entender a transição de fase topológica do meio de fundo por meio de um cálculo exato em princípio." + Explorar mais

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