海德堡大學的物理學家開發出一個新理論，將量子物理學中兩種長期競爭的觀念結合起來，為一個異常粒子在擁擠的量子環境中的行為提供了統一的解釋。這項工作連結了兩種看似相反的描述方式，用以解釋單一雜質在大量費米子集合體（稱為費米海）中移動或近乎靜止的現象。
這個由海德堡大學理論物理研究所的研究人員創建的框架，解釋了準粒子如何出現，並連結了兩個先前不相關的量子態。該團隊表示，這項進展可能對探索量子物質的實驗產生重要影響。
新理論統一了相互競爭的量子模型
量子多體物理學長期以來依賴不同的模型來解釋雜質（如奇異電子或原子）如何與周圍粒子相互作用。
其中一個成熟的圖像基於準粒子。在此模型中，單一雜質在費米子（包括電子、質子或中子）組成的海中移動，同時與附近的粒子相互作用。當它移動時，它會有效地帶著周圍的粒子一起移動，形成一個稱為費米極子的組合實體。儘管它表現得像單一粒子，但這個準粒子實際上是由雜質及其周圍粒子的集體運動產生的。
根據海德堡大學理論物理研究所的博士候選人 Eugen Dizer 的說法，這個準粒子模型已成為理解強相互作用系統（包括超冷原子氣體、固態材料和核物質）的基本工具。
解決了數十年的量子謎題
當雜質非常重且基本上無法移動時，會出現一個非常不同的圖像。在此情況下，一種稱為安德森正交性災難的現象會發生。
與產生準粒子不同，重的雜質會極大地改變量子系統，導致周圍費米子的波函數失去其原始形式。由此產生的複雜背景阻止了準粒子存在所需的協調運動。
數十年來，物理學家一直缺乏能夠解釋這兩種截然不同的描述如何契合的理論。海德堡團隊現在利用一系列分析技術，展示了如何將移動和近乎靜止的雜質模型統一在單一理論框架內。
微小的運動揭示了缺失的聯繫
Eugen Dizer 解釋說：「我們開發的理論框架解釋了在具有極重雜質的系統中，準粒子是如何出現的，連結了長期以來被分開處理的兩種範式。」他是 Richard Schmidt 教授領導的量子物質理論工作組的成員。
研究人員發現，即使是極重的雜質也不是完全靜止的。隨著周圍環境的調整，這些雜質仍然會發生微小的移動。這些微小的運動會產生一個能量間隙，從而允許準粒子從原本高度相關的量子背景中出現。
新框架還自然地解釋了量子系統如何在所謂的極子態和分子態之間轉換。
對量子材料和未來實驗的影響
根據 Schmidt 教授的說法，新理論提供了一種通用的方法來描述不同空間維度和各種相互作用下的量子雜質。
這位海德堡物理學家補充說：「我們的研究不僅增進了對量子雜質的理論理解，而且與超冷原子氣體、二維材料和新型半導體的現有實驗直接相關。」
這項研究是透過海德堡大學的 STRUCTURES Cluster of Excellence 和 ISOQUANT Collaborative Research Centre 1225 進行的。研究結果發表在《物理評論快報》期刊上。
