Опосредованные взаимодействия между ферми-поляронами и роль примесной квантовой статистики
Электрон, движущийся через твердое тело, создает поляризацию в окружающей среде из-за своего электрического заряда. Лев Ландау в своих теоретических рассуждениях расширил описание таких частиц их взаимодействием с окружающей средой и говорил о квазичастицах. Более 10 лет назад группе под руководством Рудольфа Гримма из Института квантовой оптики и квантовой информации (IQQOI) Австрийской академии наук (ÖAW) и кафедры экспериментальной физики Инсбрукского университета удалось создать такие квазичастицы (как привлекательные, так и отталкивающие взаимодействия с окружающей средой). Для этого используют ультрахолодный квантовый газ из атомов лития и калия в вакуумной камере. С помощью магнитных полей управляют взаимодействиями между частицами и с помощью радиочастотных импульсов переводят атомы калия в состояние, в котором они притягивают или отталкивают окружающие их атомы лития. Таким образом учёные моделируют сложное состояние, подобное тому, которое создается в твердом состоянии свободным электроном. Работа была опубликована в журнале Nature Physics.
Атомы калия (желтые), окруженные атомами лития (синие), образуют поляроны, которые взаимодействуют друг с другом.
Фото: IQOQI Инсбрук/Харальд Ритш.
Более пристальный взгляд на твердые тела
Теперь учёным под руководством Рудольфа Гримма удалось одновременно создать в квантовом газе несколько таких квазичастиц и наблюдать их взаимодействие друг с другом.
«Наивно можно было бы предположить, что поляроны всегда притягивают друг друга, независимо от того, является ли их взаимодействие с окружающей средой притягивающим или отталкивающим», — говорит физик-экспериментатор. «Однако это не так. Мы видим притягивающее взаимодействие в бозонных поляронах и отталкивающее взаимодействие в фермионных поляронах. Здесь квантовая статистика играет решающую роль».
Исследователи впервые смогли продемонстрировать в эксперименте такое поведение, которое в принципе уже следует из теории Ландау. Теоретические расчеты для этого провели коллеги из Мексики, Испании и Дании. «Для реализации этого в лаборатории потребовались высокие экспериментальные навыки», — объясняет Козетта Барони, первый автор исследования, — «потому что даже самые незначительные отклонения могли исказить результаты измерений».
«Такие исследования дают нам представление об очень фундаментальных механизмах природы и дают нам прекрасную возможность изучить их в деталях», — добавил Рудольф Гримм.
