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¿Qué causa la muerte de las cuasipartículas?
En los grandes sistemas de partículas que interactúan en la mecánica cuántica, a menudo surge un fenómeno intrigante: los grupos de partículas comienzan a comportarse como partículas individuales. Los físicos se refieren a grupos de partículas como cuasipartículas.
Comprender las propiedades de las cuasipartículas puede ser clave para comprender y eventualmente controlar los efectos cuánticos tecnológicamente importantes como la superconductividad y la superfluidez.
Desafortunadamente, las cuasipartículas solo son útiles mientras viven. Por lo tanto, es particularmente lamentable que muchas cuasipartículas mueran jóvenes y duren mucho, mucho menos de un segundo.
Con el tiempo, el desfase de muchos cuerpos mata el parecido de la cuasipartícula con una sola partícula. Crédito: FLOTA
Los autores de un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Monash publicado recientemente en Cartas de revisión física Investigue la pregunta crucial: ¿cómo mueren las cuasipartículas?
Más allá del sospechoso habitual, la desintegración de las cuasipartículas en estados de menor energía, los autores identifican un nuevo culpable: desfase de muchos cuerpos.
Muchos cuerpos dephasing
El desfase de muchos cuerpos es el desorden de las partículas constituyentes en la cuasipartícula que ocurre naturalmente con el tiempo.
A medida que aumenta el trastorno, la semejanza de la cuasipartícula con una sola partícula se desvanece. Finalmente, el efecto ineludible del desfase de muchos cuerpos mata la cuasipartícula.
Lejos de ser un efecto insignificante, los autores demuestran que el desfase de muchos cuerpos puede incluso dominar otras formas de muerte de cuasipartículas.
¿Dos estados de giro (rojo y verde) de una impureza incrustada en un mar de Fermi (azul) se acoplan y experimentan oscilaciones de Rabi con una frecuencia efectiva? y tasa de amortiguamiento ΓR. La tasa de amortiguación está dominada por el desfase de muchos cuerpos. Crédito: FLOTA
Esto se demuestra a través de investigaciones de una cuasipartícula particularmente “limpia”, una impureza en un gas atómico ultrafrío, donde los autores encuentran fuerte evidencia de desfase de muchos cuerpos en resultados experimentales anteriores.
Estudiante de maestría, Haydn Adlong (Facultad de Física y Astronomía, Universidad de Monash). Crédito: FLOTA
Los autores se centran en el caso en el que el gas atómico ultrafrío es un mar de Fermi. Una impureza en un mar de Fermi da lugar a una cuasipartícula conocida como repulsivo fermi polaron.
El repulsivo Fermi polaron es una cuasipartícula muy complicada y tiene un historial de eludir los estudios experimentales y teóricos.
A través de extensas simulaciones y nueva teoría, los autores muestran que un protocolo experimental establecido — oscilaciones Rabi entre estados de espín de impurezas — exhibe los efectos del desfase de muchos cuerpos en el repulsivo polarón de Fermi.
Estos resultados previamente no reconocidos proporcionan una fuerte evidencia de que el desfase de muchos cuerpos es fundamental para la naturaleza de las cuasipartículas.
El estudio
Referencia: “Quasiparticle Lifetime of the Repulsive Fermi Polaron” por Haydn S. Adlong, Weizhe Edward Liu, Francesco Scazza, Matteo Zaccanti, Nelson Darkwah Oppong, Simon Fölling, Meera M. Parish y Jesper Levinsen, 24 de septiembre de 2020, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.133401
El estudio fue dirigido por la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Monash, con coautores del Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche en Florencia, Italia, y Ludwig-Maximilians-Universität en Munich, Alemania.
Además del apoyo del Australian Research Council (Centro de excelencia y programas Future Fellowship), los autores agradecen el apoyo de la International Max Planck Research School for Quantum Science and Technology, el European Research Council, el programa Horizon 2020 de la UE y la Fondazione Cassa. di Risparmio di Firenze.
Cuasipartículas y física de átomos fríos en FLEET
Haydn Adlong realizó el estudio en el grupo del Dr. Jesper Levinsen y A / Prof Meera Parish en la Universidad de Monash, que investiga el comportamiento de grandes grupos de partículas cuánticas que interactúan, que pueden exhibir un comportamiento exótico, como superfluidez donde fluyen sin encontrar resistencia.
Este trabajo expande nuestro conocimiento fundamental de la física cuántica en sistemas que van desde gases atómicos fríos hasta semiconductores de estado sólido, y tiene el potencial de sustentar una nueva generación de dispositivos electrónicos de resistencia casi nula y energía ultrabaja, buscada por FLEET.
Dentro de FLEET, el estudio de átomos ultrafríos fuera de equilibrio se incluye en el Tema de investigación 3.
