Němečtí fyzici sjednotili dvě kvantové teorie popisující chování nečistot

Fyzici z Heidelberské univerzity v Německu dosáhli 8. července 2026 průlomu v oblasti kvantové fyziky, když se jim podařilo spojit dvě dosud protichůdné kvantové teorie do jednoho uceleného teoretického rámce. Výsledky výzkumu byly publikovány v prestižním časopise Physical Review Letters a mohly by zásadně ovlivnit budoucí experimenty s ultrachladnými atomy, polovodiči i dalšími formami kvantové hmoty.

Jádrem vědeckého úspěchu je nová teorie, která spojuje modely popisující chování nečistot v mnohoprvkových kvantových systémech. Tyto systémy jsou mimořádně složité, protože nečistota – tedy cizí částice vložená do kvantového prostředí – interaguje s obrovským množstvím okolních částic zároveň. Dosavadní teoretické přístupy k tomuto problému se v určitých mezních případech navzájem vylučovaly, což fyzikům znemožňovalo sestavit jednotný popis takových jevů.

Eugen Dizer, doktorand na Heidelberské univerzitě, k výsledkům uvedl, že „teoretický rámec vysvětluje, jak kvazipartikul vzniká v systémech s extrémně těžkou nečistotou. Kvazipartikul je přitom jedním z klíčových konceptů moderní fyziky kondenzované hmoty – nejde o skutečnou elementární částici, ale o kolektivní excitaci systému mnoha částic, která se chová jako by samostatnou částicí byla. Pochopení toho, jak a za jakých podmínek kvazipartikul vzniká, má přímý dopad na interpretaci celé řady fyzikálních experimentů.

Výzkum se dotýká několika zásadních pojmů kvantové fyziky. Fermiho moře označuje stav, v němž jsou všechny kvantové stavy až po určitou energetickou hladinu obsazeny fermiony – částicemi jako elektrony, které se řídí Fermiho-Diracovou statistikou. Když do takového systému vstoupí nečistota, dochází k přeuspořádání celého okolního prostředí. Právě tento jev popisuje takzvaná Andersonova katastrofa ortogonalit, pojmenovaná po fyzikovi Philipu Andersonovi. Jde o situaci, kdy se kvantový stav systému s nečistotou a bez ní stávají v termodynamickém limitu ortogonálními – tedy vzájemně kolmými ve smyslu kvantové mechaniky – což má dramatické důsledky pro dynamiku systému a pro samotnou existenci kvazipartikulu.

Právě napětí mezi vznikem kvazipartikulu na jedné straně a Andersonovou katastrofou ortogonalit na straně druhé představovalo dlouhodobý teoretický problém, s nímž se fyzici potýkali. Nový rámec vyvinutý heidelberským týmem tyto zdánlivě neslučitelné jevy propojuje a nabízí konzistentní popis toho, co se v systému děje v závislosti na parametrech nečistoty, zejména na její hmotnosti.

Praktický dosah tohoto teoretického pokroku je značný. Experimenty s ultrachladnými atomy, při nichž jsou atomy ochlazeny na teploty blízké absolutní nule, představují jednu z nejpřesnějších experimentálních platforem moderní fyziky. V těchto systémech lze simulovat chování nečistot v kvantových prostředích s nebývalou kontrolou nad parametry experimentu. Nová teorie jim nyní poskytuje přesnější interpretační nástroj. Podobně v oblasti polovodičů, kde pohyb elektronů v krystalické mřížce lze popisovat právě pomocí kvazipartiklů, může nový rámec přispět k hlubšímu pochopení elektronových vlastností materiálů relevantních pro moderní technologie.

Výzkum byl realizován v rámci dvou prestižních vědeck