Científicos de Heidelberg resuelven un misterio cuántico de décadas

Un grupo de físicos de la Universidad de Heidelberg desarrolló una nueva teoría que une dos visiones aparentemente incompatibles sobre cómo se comportan las partículas exóticas en la materia cuántica. Este avance explica cómo una impureza puede moverse a través de un mar de partículas y formar una cuasipartícula conocida como Fermi polaron, o cómo una impureza extremadamente pesada puede congelarse en su lugar y alterar todo el sistema, destruyendo las cuasipartículas. El nuevo marco teórico demuestra que estas no son realidades opuestas, revelando que incluso las partículas muy pesadas pueden realizar pequeños movimientos que permiten la aparición de cuasipartículas.

En la física cuántica de muchos cuerpos, los científicos han debatido durante mucho tiempo cómo se comportan las impurezas cuando están rodeadas por un gran número de otras partículas. Estas impurezas pueden ser electrones o átomos inusuales, conocidos como electrones o átomos exóticos. Uno de los modelos más utilizados es el modelo de cuasipartícula. En este enfoque, una sola partícula se mueve a través de un mar de fermiones, como electrones, protones o neutrones, interactuando constantemente con los que la rodean. A medida que avanza, arrastra partículas cercanas con ella, creando una entidad combinada llamada Fermi polaron. Aunque se comporta como una sola partícula, esta cuasipartícula surge del movimiento compartido de la impureza y su entorno. Según Eugen Dizer, un candidato a doctorado en la Universidad de Heidelberg, esta idea se ha vuelto central para entender sistemas fuertemente interactuantes que van desde gases ultrafríos hasta materiales sólidos y materia nuclear.

Un escenario muy diferente se presenta en un fenómeno conocido como la catástrofe de ortogonalidad de Anderson. Esto ocurre cuando una impureza es tan pesada que apenas se mueve. Su presencia altera drásticamente el sistema circundante. Las funciones de onda de los fermiones cambian de tal manera que pierden su forma original, creando un fondo complicado donde la coordinación del movimiento se descompone. En estas condiciones, las cuasipartículas no pueden formarse. Hasta ahora, los físicos no habían tenido una teoría clara que vinculara este caso extremo con el modelo de impureza móvil. Aplicando una variedad de herramientas analíticas, el equipo de Heidelberg logró conectar estas dos descripciones dentro de un único marco teórico.

El marco teórico desarrollado explica cómo emergen las cuasipartículas en sistemas con una impureza extremadamente pesada, conectando dos paradigmas que durante mucho tiempo se habían tratado por separado. Dizer, quien trabaja en el grupo de Teoría de Materia Cuántica dirigido por el Prof. Dr. Richard Schmidt, destacó que un hallazgo clave de la teoría es que incluso las impurezas muy pesadas no están completamente quietas. A medida que su entorno se ajusta, estas partículas experimentan pequeños movimientos. Esos ligeros desplazamientos crean una brecha de energía que permite que las cuasipartículas se formen, incluso en un entorno fuertemente correlacionado. Los investigadores también demostraron que este proceso explica de manera natural la transición de estados polaronicos a estados cuánticos moleculares.

El Prof. Schmidt afirmó que los nuevos resultados ofrecen una forma flexible de describir impurezas que puede aplicarse en diferentes dimensiones y tipos de interacción. "Nuestra investigación no solo avanza en la comprensión teórica de las impurezas cuánticas, sino que también es directamente relevante para experimentos en curso con gases atómicos ultracálidos, materiales bidimensionales y semiconductores novedosos", agregó. El estudio se llevó a cabo como parte del Cluster de Excelencia STRUCTURES de la Universidad de Heidelberg y el Centro de Investigación Colaborativa ISOQUANT 1225. Los hallazgos fueron publicados en la revista Physical Review Letters.