En ny vej til stabile, selvbundne kvantedråber

Tidligere beskrivelser af Bose-Fermi-dråber byggede ofte på andenordens perturbationsteori. Den metode er udviklet til svage vekselvirkninger, men de forudsagte dråber befinder sig i et stærkt koblet område, hvor svag-koblings-approksimationer ikke længere er pålidelige.

Det er især vigtigt tæt på en ustabilitet drevet af tiltrækning. En simpel middelfeltsteori kan ikke fuldt ud beskrive, hvad der sker i en stærkt vekselvirkende Bose-Fermi-blanding. En mere præcis beregning må derfor medtage fysikken i to-legemespredning ved stærk kobling.

Kvantedråber er ikke et helt nyt fænomen inden for ultrakolde atomer. Selvbundne dråber er tidligere blevet realiseret i tiltrækkende blandinger af bosoner. Resultatet fra Monash og Heidelberg foreslår en anden stabiliseringsmekanisme: et samspil mellem tiltrækningen mellem bosoner og fermioner og fermionernes kinetiske tryk.

Den variationelle metode bag forudsigelsen

For at komme ud over antagelserne om svag kobling udviklede forskerne en variationel ansats ved nul temperatur. Den indeholder korrelationer mellem boson-fermion-par over hele vekselvirkningsområdet.

Metoden er konstrueret til at forbinde flere kendte grænsetilfælde i stedet for kun at beskrive ét snævert område. Ifølge studiet genskaber den både perturbationsteorien for svage vekselvirkninger, hvor den er gyldig, og den korrekte grænseadfærd for Fermi- og Bose-polaroner. Polaroner er kvasipartikler, der opstår, når en impuritet bliver omgivet og "påklædt" af excitationer i den omgivende kvantegas.

Forskerne minimerede derefter den variationelle ansats' frie energi. Analysen viste både den selvbundne dråbefase og tilknyttede førsteordens kvantefaseovergange.

Hvad sker der, når blandingen ændres?

Dråben forventes ikke at være stabil ved alle tætheder og vekselvirkningsstyrker. I det relevante område opstår den, før stabile boson-fermion-dimerer bliver den foretrukne tilstand.

Ved højere fermontæthed forudsiger beregningen i stedet fasesegregering: en Bose-Fermi-væske med overskydende fermioner. Den finder også en udvikling, der minder om et kritisk punkt mellem væske og gas.

Fasestrukturen giver eksperimentelle fysikere mere end ét muligt mål. De kan lede efter selve dråben og derefter undersøge, hvordan den ændrer sig, når vekselvirkningsstyrke, tæthed eller forholdet mellem antallet af partikler varieres. De forudsagte faseovergange kan dermed give yderligere tests af teorien.

Kan eksperimenter teste forudsigelsen snart?

Studiet angiver ingen tidsplan i måneder eller år. Den mere præcise påstand er, at de nødvendige stærkt koblede Bose-Fermi-blandinger og passende atommasseforhold allerede kan fremstilles i eksperimenter med ultrakolde atomer.

Det betyder, at eksisterende forsøgsopstillinger i princippet kan undersøge det forudsagte område. I praksis skal forskerne dog stadig løse udfordringer med forberedelse af blandingen, detektion og tab af partikler.

Der er derfor tale om en eksperimentelt testbar forudsigelse – ikke om en rapport om, at disse dråber allerede er observeret. Tidligere eksperimenter har vist selvbundne kvantedråber i andre atomblandinger, hvilket demonstrerer, at dråbedannelse i frit rum er mulig i beslægtede systemer.

Hvad kan kvantedråberne lære os?

Hvis forudsigelsen bekræftes, kan dråberne blive en justerbar laboratoriemodel for stærkt korreleret kvantematerie. Teorien knytter an til bredere spørgsmål om systemer som helium-3-helium-4-blandinger og bosoniske excitoner, der vekselvirker med fermioniske ladningsbærere i halvledere.

Arbejdet demonstrerer ikke en ultrapræcis sensor, en kvantecomputer eller en anden færdig teknologi. Den mere forsigtige konklusion er, at viden om, hvordan robuste og stærkt korrelerede faser kan skabes og kontrolleres, på længere sigt kan bidrage til forskning i kvantematerialer og kvanteteknologier.

Den konkrete bedrift er foreløbig en teoretisk forudsigelse af en ny fase af stof – samt en metode til at analysere den uden at være bundet af svag-koblings-approksimationer.