Un croquis de l'occupation et de la structure du spectre à une seule particule d'un superfluide BCS à deux composants. (a) montre le spectre lorsque l'impureté est dans les états sans interaction (flèche noire vers le haut). (b) et (c) montrent le spectre lorsque l'interaction d'impureté est activée (flèches noires vers le bas) à température nulle et finie, respectivement. Le spectre d'absorption avec les paramètres $T=0.1E_F$ et $k_Fa=-2$ en (d) montre les caractéristiques du polaron universel. De plus, à température finie, des canaux de désintégration supplémentaires [flèches vertes et violettes en (c)] existent via le Yu-Shiba-Rusinov dans l'espace, donnant lieu à des pics de résonance supplémentaires (fonction YSR). Crédit :Wang, Liu &Hu.
Les physiciens qui étudient la physique quantique à plusieurs corps parviennent très rarement à des solutions ou à des conclusions exactes, en particulier dans plus d'une dimension. Cela est également vrai pour le problème du polaron de Fermi, décrivant des cas dans lesquels le fond quantique à plusieurs corps est un gaz de Fermi sans interaction.
Le problème du polaron de Fermi a été largement étudié au cours de la dernière décennie. Cependant, prédire les propriétés des quasi-particules des polarons de Fermi avec des niveaux de confiance élevés s'est jusqu'à présent révélé très difficile.
Des chercheurs de l'Université de technologie de Swinburne ont récemment introduit un modèle qui pourrait être utilisé pour prédire les propriétés exactes des quasi-particules d'un polaron lourd dans les superfluides de Fermi Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Leur article, publié dans Physical Review Letters , présente une solution théorique et exacte pour un système à plusieurs corps, qui pourrait éventuellement être testée et réalisée dans des contextes expérimentaux.
L'étude récente s'appuie sur l'un des précédents articles de l'équipe publiés dans Physical Review A . Ces travaux passés se sont spécifiquement concentrés sur les polarons croisés avec une impureté mobile.
"Nos travaux antérieurs et de nombreuses autres études théoriques sur les polarons utilisant diverses méthodes d'approximation donnent des caractéristiques universelles (telles que l'existence de polarons attractifs/répulsifs et un continuum sombre)", a déclaré Jia Wang, l'un des chercheurs qui a mené l'étude. Phys.org. "Nous pensons que la suppression de multiples excitations de quasi-particules dans le milieu de fond est le mécanisme sous-jacent à ces caractéristiques."
Wang et ses collègues pensent que le mécanisme sous-tendant les caractéristiques universelles des polarons de Fermi pourrait être soit l'énergie de recul d'une impureté mobile, soit l'existence d'une lacune énergétique dans un superfluide. Cependant, pour que leur hypothèse soit vérifiable dans un cadre expérimental, ils devaient d'abord la représenter théoriquement.
"Nous sommes tombés sur un article fascinant, qui étudiait les impuretés immobiles dans les gaz de Fermi sans interaction", a déclaré Wang. "Ce modèle peut être résolu exactement en utilisant une méthode" d'approche par déterminant fonctionnel (FDA) ". Cependant, les polarons n'existent pas dans de tels systèmes en raison de la fameuse" catastrophe d'orthogonalité d'Anderson ". Essentiellement, cela est dû au fait que l'impureté immobile n'a pas d'énergie de recul et que l'existence de multiples excitations particule-trou détruit la résonance du polaron."
Dans le système à plusieurs corps décrit par Wang et ses collègues, la présence d'un espace superfluide peut supprimer les multiples excitations particule-trou du polaron. Par conséquent, ils ont décidé d'étendre la méthode FDA, qui est généralement inapplicable aux polarons de Fermi, à leur système superfluide BCS.
"Nous voulions également étudier expérimentalement les excitations superfluides de Fermi, qui constituent un sujet de recherche de longue date", a expliqué Wang. "Plusieurs expériences ont récemment réalisé l'introduction d'une autre espèce d'atomes, qui peuvent jouer le rôle d'impuretés, dans un superfluide BCS. Nos prédictions montrent que dans ces systèmes accessibles, on peut utiliser le spectre polaron des impuretés pour mesurer les caractéristiques de l'excitation superfluide de fond. spectre (tel que l'écart superfluide et l'état de sous-écart Yu-Shiba-Rusinov)."
Le spectre du polaron en fonction de la force d'interaction (1/a) et de la fréquence. Les caractéristiques supplémentaires qui apparaissent à des températures finies sont dues à l'existence des états Yu-Shiba-Rusinov dans l'espace. Les positions de ces nouvelles caractéristiques (courbes rouges en pointillés et en pointillés) sont quantitativement déterminées par les énergies des polarons, l'écart superfluide et les énergies de l'état de Yu-Shiba-Rusinov. Crédit :Wang, Liu &Hu.
Alors que les calculs effectués par Wang et ses collègues supposent techniquement une impureté immobile dans un système, ils fournissent également une bonne approximation des impuretés lourdes. Alternativement, dans des contextes expérimentaux, les physiciens devraient être capables de localiser les impuretés à l'aide d'un réseau optique profond.
"La nôtre était une étude théorique", a expliqué Wang. "Notre modèle considère un système d'impuretés immobiles dans un superfluide de Fermi à deux composants. L'impureté a deux états internes (états de spin hyperfins), et nous supposons que l'un interagit fortement avec le superfluide et que l'autre n'interagit pas."
En utilisant leur modèle théorique basé sur la FDA, les chercheurs ont pu dévoiler toutes les caractéristiques universelles du polaron, avec un simple calcul exact en principe. Il s'agit d'une réalisation remarquable, car les études précédentes n'avaient pas été en mesure de prouver rigoureusement toutes les propriétés exactes et universelles des quasi-particules des systèmes de polarons de Fermi.
"En préparant l'impureté initialement à l'état sans interaction, nous avons calculé la probabilité que l'impureté absorbe un photon et passe à l'état à forte interaction en fonction de la fréquence du photon, que nous désignons par A(ω)", a déclaré Wang. "Supposons que cette probabilité d'absorption montre un pic net autour d'une certaine fréquence ω, cela indique l'existence d'une quasi-particule d'énergie ℏ ω, que nous appelons polaron de croisement lourd."
À l'avenir, les travaux théoriques menés par cette équipe de chercheurs pourraient ouvrir la voie à des expériences en laboratoire avec des atomes froids testant leur hypothèse. En outre, les physiciens pourraient également s'inspirer de leur article pour mener des tests légèrement différents appelés "expériences de type interférence de Ramsey", qui impliquent certains des processus et des détails techniques décrits dans leur article.
Comme la théorie présentée par Wang et ses collègues est assez générale, elle pourrait être appliquée à plusieurs systèmes différents réalisables expérimentalement. Par exemple, l'équipe suggère une réalisation expérimentale de leur système proposé utilisant des impuretés lourdes 133Cs dans un superfluide BCS Fermi d'atomes 6Li, qui avait déjà été réalisée dans certains travaux antérieurs.
« Les contributions de notre travail sont doubles », a déclaré Wang. "Tout d'abord, nous avons étudié un modèle qui peut être résolu exactement et donne toutes les caractéristiques universelles des polarons de Fermi. Ces caractéristiques n'ont été calculées qu'approximativement dans diverses études auparavant, mais notre analyse indique que ces caractéristiques universelles proviennent de la suppression de multiples excitations particules-trous du milieu fermionique. Deuxièmement, nous découvrons un phénomène de température fini intéressant pour une impureté magnétique (qui interagit avec les deux composants du superfluide avec des forces différentes) dans un superfluide de Fermi à deux composants."
Lorsqu'ils ont effectué leurs calculs, les chercheurs ont découvert que le spectre du polaron présentait des pics d'amélioration supplémentaires à température finie, ce qui correspondait à l'état lié du sous-écart Yu-Shiba-Rusinov. Leurs prédictions théoriques intéressantes pourraient bientôt être testées dans différents laboratoires de physique du monde entier.
"Au meilleur de notre connaissance, il s'agit de la première étude appliquant la théorie liée au polaron pour étudier les états liés du sous-écart Yu-Shiba-Rusinov dans les gaz ultra-froids", a ajouté Wang. "Dans nos prochaines études, nous prévoyons d'étudier les polarons lourds dans d'autres systèmes superfluides, tels que le superfluide topologique. Nous espérons que notre méthode nous aidera à comprendre la transition de phase topologique du milieu de fond via un calcul exact en principe."
© 2022 Réseau Science X Pour tuer une quasi-particule :un polar quantique
