La fisica quantistica dei sistemi a molti corpi si trova oggi di fronte a una svolta teorica che potrebbe ridefinire la comprensione di come particelle individuali si comportano all'interno di ambienti densamente popolati. Un gruppo di ricercatori dell'Istituto di Fisica Teorica dell'Università di Heidelberg ha sviluppato un quadro concettuale che riconcilia due paradigmi finora considerati incompatibili: la teoria delle quasiparticelle, che descrive impurità mobili che si muovono attraverso un mare di fermioni, e la cosiddetta catastrofe di ortogonalità di Anderson, un fenomeno che emerge quando particelle estremamente pesanti alterano drasticamente l'ambiente circostante senza spostarsi. Questa unificazione teorica, pubblicata sulla rivista Physical Review Letters, rappresenta un passo fondamentale per interpretare esperimenti condotti su gas atomici ultrafreddi, materiali bidimensionali e semiconduttori innovativi.
Il dibattito scientifico sulla natura delle impurità quantistiche si protrae da decenni. Quando un singolo atomo o elettrone esotico viene immerso in un sistema composto da un gran numero di fermioni – particelle come elettroni, protoni o neutroni che obbediscono al principio di esclusione di Pauli – la sua presenza modifica profondamente le dinamiche collettive. Nel modello delle quasiparticelle, l'impurità mobile attraversa quello che i fisici chiamano mare di Fermi, trascinando con sé le particelle vicine e creando un'entità composita nota come polarone di Fermi. Questo oggetto quantistico si comporta come una particella singola, ma è in realtà il risultato del moto coordinato dell'impurità e del suo intorno. Come sottolinea Eugen Dizer, dottorando a Heidelberg, questa descrizione è diventata centrale per comprendere sistemi fortemente interagenti che spaziano dai gas ultrafreddi alla materia nucleare.
Il quadro cambia radicalmente quando l'impurità diventa estremamente pesante. In questa condizione limite, descritta dalla catastrofe di ortogonalità di Anderson, la particella rimane sostanzialmente immobile, ma la sua sola presenza è sufficiente a stravolgere le funzioni d'onda dei fermioni circostanti. Queste ultime si modificano così drasticamente da perdere la loro forma originaria, impedendo la formazione di quasiparticelle e interrompendo il moto coordinato che caratterizza i polaroni. Fino ad oggi, nessuna teoria era riuscita a collegare in modo coerente questo scenario estremo con quello delle impurità mobili, lasciando un vuoto concettuale nella fisica dei sistemi quantistici complessi.
La svolta teorica elaborata dal gruppo di Heidelberg si basa su una serie di strumenti analitici avanzati che hanno permesso di costruire un framework unificato. L'intuizione chiave riguarda il fatto che anche particelle molto pesanti non sono completamente statiche: quando l'ambiente circostante si adatta alla loro presenza, subiscono microscopici spostamenti. Questi movimenti apparentemente trascurabili generano un divario energetico che consente la formazione di quasiparticelle persino in ambienti fortemente correlati. La teoria spiega inoltre come avvenga la transizione naturale dagli stati polaronici agli stati molecolari quantistici, due configurazioni che descrivono diversi regimi di interazione tra l'impurità e il sistema ospite.
Il professor Richard Schmidt, che guida il gruppo Quantum Matter Theory presso l'Università di Heidelberg, evidenzia come questo approccio offra un metodo flessibile applicabile a sistemi di diverse dimensioni e con vari tipi di interazione. La ricerca non solo amplia la comprensione teorica delle impurità quantistiche, ma fornisce anche predizioni direttamente verificabili negli esperimenti in corso con gas atomici ultrafreddi, materiali bidimensionali e semiconduttori di nuova generazione. Questi sistemi sperimentali stanno diventando piattaforme sempre più sofisticate per testare previsioni della meccanica quantistica e per sviluppare tecnologie basate su fenomeni quantistici controllati.
Il lavoro è stato condotto nell'ambito del STRUCTURES Cluster of Excellence e del centro di ricerca collaborativa ISOQUANT SFB 1225 dell'Università di Heidelberg, due iniziative che riuniscono gruppi di ricerca internazionali per affrontare questioni fondamentali della fisica moderna. Le prospettive aperte da questa teoria includono una migliore comprensione dei materiali quantistici complessi, dalla superconduttività alle proprietà topologiche dei solidi, fino alle dinamiche della materia nucleare densa.
