物理学家揭开困扰科学界数十年的量子谜团

在量子多体物理领域，科学家们长期争论杂质（如特殊电子或原子）在被大量其他粒子包围时的行为。一种广泛使用的解释是准粒子模型：单个粒子在电子、质子或中子等费米子“海洋”中运动，不断与周围粒子相互作用，牵拉附近粒子形成名为“费米极化子”的复合实体。这种准粒子虽表现得像单个粒子，但其本质是杂质与周围环境共同运动的结果。海德堡大学博士生Eugen Dizer指出，这一观点已成为理解从超冷气体到固体材料再到核物质等强相互作用系统的核心。
当重粒子扰乱系统时，会出现一种截然不同的现象——安德森正交灾变。此时杂质极重、几乎不移动，但其存在会显著改变周围系统：费米子的波函数发生巨大变化，失去原有形态，形成协调运动崩溃的复杂背景，导致准粒子无法形成。此前，物理学家尚未有清晰理论将这种极端情况与可移动杂质的情形联系起来。海德堡团队通过多种分析工具，成功将这两种描述统一到单一框架中。
“我们开发的理论框架解释了极重杂质系统中准粒子如何形成，将长期被分开研究的两种范式联系起来。”在Richard Schmidt教授领导的量子物质理论组工作的Eugen Dizer解释道。该理论的关键见解是：即使极重的杂质也并非完全静止，当周围环境调整时，这些粒子会产生微小运动。这些微小位移会产生能隙，使准粒子即使在强关联环境中也能形成。研究人员还表明，这一过程自然解释了从极化子态到分子量子态的转变。
Schmidt教授表示，新结果提供了一种灵活描述杂质的方法，可应用于不同维度和相互作用类型。“我们的研究不仅推进了对量子杂质的理论理解，还与正在进行的超冷原子气体、二维材料和新型半导体实验直接相关。”
该研究是海德堡大学“STRUCTURES”卓越集群和“ISOQUANT”合作研究中心（1225）的一部分，成果发表于《物理评论快报》。