Jak wyjaśniają sami zainteresowani – będący autorami publikacji zamieszczonej na łamach Nature Physics – udało im się doprowadzić do przełomu, który może zrewolucjonizować kwestie związane z projektowaniem materiałów kwantowych. Co dokładnie doprowadziło do tak znaczącej zmiany?
Czytaj też: XFEL przesuwa granice nauki. Attosekundowe impulsy mogą zmienić chemię i fizykę na zawsze
Kluczowym jej aspektem było wdrożenie nowej metody obliczania dużych zestawów diagramów Feynmana. Dzięki niej naukowcy mogą osiągać nie tylko wyższą dokładność, ale i robić to w krótszym czasie. Jeśli zaś chodzi o same diagramy, to są one narzędziami wizualnymi stosowanymi przez fizyków do opisywania oddziaływań między cząsteczkami. W najnowszym wydaniu fizycy zyskali możliwość dokładniejszego przewidywania, w jaki sposób elektrony przemieszczają się nie tylko przez konwencjonalnie stosowane, ale i kwantowe materiały.
Diagramy Feynmana zostały przez niego zaprezentowane w latach 40. ubiegłego wieku. Miały one zapewniać sposób ukazywania interakcji między podstawowymi cząsteczkami z wykorzystaniem dwuwymiarowych szkiców wykonanych z prostych i falistych linii spotykających się w punktach. Pomimo pozornej prostoty, takie schematy okazują się imponująco przydatne w obliczaniu prawdopodobieństwa określonych zderzeń cząstek.
Diagramy Feynmana można wykorzystać na potrzeby zgłębiania tajemnic materiałów – również tych kwantowych
Jak wyjaśnia jeden z autorów badań w tej sprawie, Marco Bernardi, podsumowanie wszystkich diagramów Feynmana o dokładności ilościowej jest świętym Graalem w fizyce teoretycznej. Wraz ze współpracownikami chciał więc uporać się z nierozwiązanym problemem polaronów. W tym celu członkowie zespołu badawczego wdrożyli wszystkie schematy interakcji elektron-fonon, w zasadzie aż do nieskończonego rzędu. Wykorzystana metoda posłużyła autorom do precyzyjnego obliczenia siły wspomnianej interakcji i przewidywania powiązanych efektów.
O ile w przypadku wielu materiałów można było stosować konwencjonalne metody, tak w niektórych elektrony oddziałują znacznie silniej z siecią atomową. W konsekwencji powstają splątane stany fonon-fonon zwane polaronami, które są elektronami towarzyszącymi zniekształceniu indukowanych sieci. Polarony powstają w przypadku izolatorów, półprzewodników i powszechnie stosowanych materiałów – również kwantowych. W związku z tym wzbudzają spore zainteresowanie badaczy.
Czytaj też: Ani bozony, ani fermiony. Ta nieznana cząstka może wywrócić fizykę do góry nogami
Potrzeba jednak alternatywnych strategii, a jedną z takowych opracowali przedstawiciele Caltech. W tym celu dokonali połączenia diagramów Feynmana, dzięki którym można opisać sposoby oddziaływań elektronów z wibracjami atomowymi w materiałach. Dodając do tego tzw. diagrammatyczną metodę Monte Carlo, autorzy ustalili zasady pozwalające na poruszanie się w przestrzeni diagramów Feynmana. Tym sposobem doprowadzili do zmiany paradygmatu problemu polaronów. Ich rozwiązanie ma się w przyszłości sprawdzić w kontekście poznawania silnych interakcji między światłem i materią.