Polarons interactius: simulacions de quasipartícules interaccionants en gas quàntic ultrafred
Els àtoms de potassi (groc) envoltats d'àtoms de liti (blau) formen polarons que interactuen entre ells. Credit: IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

Polarons interactius: simulacions de quasipartícules interaccionants en gas quàntic ultrafred

Les quasipartícules són una eina essencial per descriure els processos complexos derivats de fortes interaccions en sòlids. Aquestes quasipartícules es poden simular i estudiar amb precisió en un sistema radicalment diferent, és a dir, un gas quàntic ultrafred. Ara els científics han pogut observar en un experiment real com les quasipartícules anomenades polarons de Fermi interactuen entre elles. Les seves troballes s'han publicat a Nature Physics.

Les quasipartícules són una eina essencial per descriure els processos complexos derivats de fortes interaccions en sòlids. Aquestes quasipartícules es poden simular i estudiar amb precisió en un sistema radicalment diferent, és a dir, un gas quàntic ultrafred. Ara els científics han pogut observar en un experiment real com les quasipartícules anomenades polarons de Fermi interactuen entre elles. Les seves troballes s'han publicat a Nature Physics.

 

Un electró que es mou a través d'un sòlid genera una polarització del seu entorn a causa de la seva càrrega elèctrica. El famós físic rus Lev Landau va introduir a finals de la dècada de 1950 el concepte de quasipartícules per descriure l'entitat conjunta formada per l'electró i el núvol d'excitacions circumdants. Fa més de deu anys, una col·laboració entre els teòrics Pietro Massignan del Departament de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Georg Bruun del Departament de Física i Astronomia de la universitat d'Aarhus i l'equip experimental liderat per Rudolf Grimm a la L'Institut d'Òptica Quàntica i Informació Quàntica (IQQOI) d'Innsbruck va generar amb èxit quasipartícules amb interaccions tant atractives com repulsives amb el seu entorn. Amb aquest propòsit, l'equip va utilitzar un gas quàntic d'àtoms de liti i potassi refredat a temperatures nanoKelvin en una cambra d'alt buit. Mitjançant polsos de radiofreqüència van transferir molt pocs àtoms de potassi a un estat que experimentava interaccions atractives o repulsives arbitràriament fortes amb els àtoms de liti que els envoltaven. D'aquesta manera, els investigadors van generar estats complexos semblants al produït pels electrons de conducció en un sòlid.

 

Ara, el mateix equip, juntament amb el teòric Miguel-Àngel Bastarrachea de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, ha estat capaç de produir diverses quasipartícules simultàniament i observar les seves interaccions entre elles. L'estadística quàntica de les impureses té un paper crucial i, tot i que hom suposaria que els polarons sempre s'atreuen mútuament, la teoria prediu interaccions atractives entre les impureses bosòniques, però interaccions repulsives entre les fermiòniques, com ara s'ha demostrat clarament en un estudi real. experimentar aquest sorprenent canvi de comportament, que segueix com a conseqüència de la teoria de Landau. L'efecte és extremadament petit i les incerteses experimentals van impedir la seva observació en experiments anteriors.

Aquestes investigacions ens proporcionen coneixements sobre mecanismes molt fonamentals de la natura i ens ofereixen excel·lents oportunitats per estudiar-los en detall.

Publicació:

Mediated interactions between Fermi polarons and the role of impurity quantum statistics  Cosetta Baroni, Bo Huang, Isabella Fritsche, Erich Dobler, Gregor Anich, Emil Kirilov, Rudolf Grimm, Miguel A. Bastarrachea-Magnani, Pietro Massignan and Georg Bruun,  Nature Physics (2023)  DOI: 10.1038/s41567-023-02248-4

Keywords
r_n