Ортогональная катастрофа Андерсона — один из парадоксальных эффектов физики многих тел: локальное возмущение в ферми-газе приводит к тому, что многочастичная волновая функция становится ортогональной невозмущённой. В ультрахолодных атомных газах этот эффект долго оставался неуловимым: тепловые шумы маскировали его проявления в спектрах тяжёлых поляронов. Данная работа стоит рядом с исследованиями когерентного управления примесями, но в отличие от соседних экспериментов с равными массами, здесь используется рекордное для щелочных смесей отношение масс примеси и среды (около 22), что приближает систему к пределу бесконечно тяжёлой примеси, где катастрофа проявляется наиболее ярко.
Приготовили вырожденный ферми-газ из 180 тысяч атомов лития-6 и поместили в него около тысячи атомов цезия-133 в невзаимодействующем состоянии. С помощью рамановской спектроскопии без передачи импульса когерентно переводили примеси в состояние с настраиваемым взаимодействием, меняя силу возбуждения в широких пределах — от 0,2 до 3 энергий Ферми. Эволюцию намагниченности регистрировали по поглощению, извлекая частоту Раби и скорость затухания осцилляций. Температура поддерживалась на уровне четверти температуры Ферми.
Отношение частоты Раби к затравочной растёт с силой возбуждения по степенному закону, показатель которого количественно согласуется с предсказанием ортогональной катастрофы для разных взаимодействий. Например, для параметра взаимодействия −0.53(5) показатель составил 0.53(5), а для +0.51(5) — 0.51(5). Степенной режим наблюдается в диапазоне от тепловой энергии до энергии Ферми, без плато, характерного для мобильных поляронов. Скорость затухания осцилляций немонотонно зависит от силы возбуждения: сначала растёт, затем падает, причём на отталкивательной ветви максимум выше, чем на притягивающей.
Работа показывает, что ортогональная катастрофа Андерсона доступна в динамике когерентно управляемых примесей даже при конечной температуре и конечной массе. В отличие от соседних работ, где использовались примеси с массами, близкими к массе среды, здесь впервые достигнуто отношение масс 22, что делает систему почти статической и позволяет напрямую сравнивать с теорией для бесконечно тяжёлой примеси. Это расширяет инструментарий квантовой симуляции многих тел: локальное когерентное управление становится зондом коллективного отклика ферми-жидкости.
Дальнейшее понижение температуры и увеличение отношения масс может сделать степенной закон ещё более выраженным. Интересно исследовать нестационарную ортогональную катастрофу и транспортные явления, где этот эффект играет ключевую роль. Когерентное управление примесями открывает путь к изучению динамически экранированных взаимодействий и спинового обмена.
Результаты важны для физики ультрахолодных атомов, физики конденсированного состояния и квантовых технологий, где поляроны и ортогональная катастрофа проявляются в спектроскопии и транспорте.
Провести измерения при более низких температурах и с более тяжёлыми примесями, чтобы приблизиться к нулевой температуре и бесконечной массе. Исследовать зависимость от расстройки и проверить предсказания для отношения частоты к затуханию.
Ортогональная катастрофа Андерсона остаётся одной из нерешённых проблем физики многих тел: её проявления в реалистичных условиях (конечная температура, конечная масса) до конца не поняты. Данная работа показывает, что динамические зонды могут обойти тепловую маскировку, но количественное расхождение между измеренным и рассчитанным затуханием указывает на пробел в теории декогеренции.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе исследовано когерентное возбуждение тяжёлого ферми-полярона в смеси лития-6 и цезия-133. Измерена зависимость частоты Раби от силы возбуждения, которая следует степенному закону с показателем, согласующимся с предсказанием ортогональной катастрофы Андерсона. Численное моделирование при конечной температуре воспроизводит наблюдаемый скейлинг.
В чём сила
Достижение рекордного отношения масс примеси и среды (~22) приближает систему к пределу бесконечно тяжёлой примеси, что позволяет напрямую сравнивать эксперимент с теорией ортогональной катастрофы. Широкий диапазон сил возбуждения и конечная температура демонстрируют живучесть эффекта за пределами идеализированных условий.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Работа открывает путь к использованию когерентно управляемых примесей как зондов квантовой динамики многих тел, а предложенные направления могут расширить понимание ортогональной катастрофы в реалистичных условиях.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.50, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Частота Раби без ферми-моря составляла около 7.62 кГц, а с ферми-морем при слабом возбуждении падала почти вдвое. Энергия Ферми в эксперименте равна 31 кГц, что соответствует температуре 1.49 микрокельвина.
В романе Станислава Лема «Солярис» океан реагирует на воздействие исследователей непредсказуемым образом. Здесь примесь, погружённая в ферми-море, отвечает на когерентное возбуждение степенным законом — коллективный отклик, который невозможно свести к сумме индивидуальных реакций.