Naukowcy jako pierwsi zaobserwowali „kwazicząstki” w układach klasycznych

Począwszy od nadejścia mechaniki kwantowej, świat fizyki został podzielony na fizykę klasyczną i fizykę kwantową. Fizyka klasyczna zajmuje się ruchami rzeczy, które zwykle obserwujemy na co dzień w świecie makroskopowym, podczas gdy fizyka kwantowa wyjaśnia dziwne zachowania cząstek elementarnych w świecie mikroskopowym.

Wiele ciał stałych lub cieczy składa się z cząstek, które oddziałują ze sobą z bliskiej odległości, co czasami skutkuje pojawieniem się „kwazicząstek”. Kwazicząstki to długotrwałe wzbudzenia, które skutecznie zachowują się jak słabo oddziałujące cząstki. Radziecki fizyk Lev Landau przedstawił ideę kwazicząstek w 1941 roku i od tego czasu była ona bardzo owocna w badaniach materii kwantowej. Niektóre przykłady kwazicząstek obejmują kwazicząstki Bogolubowa (tj. „Złamane pary Coopera”) w nadprzewodnictwie, ekscytonach w półprzewodnikach i fononach.

Badanie pojawiających się zjawisk zbiorowych pod kątem kwazicząstek dostarczyło wglądu w różne ustawienia fizyczne, w szczególności w nadprzewodnictwo, nadciekłość, a ostatnio w słynny przykład kwazicząstek Diraca w grafenie. Ale jak dotąd obserwacja i wykorzystanie kwazicząstek ograniczało się do Fizyka kwantowa: W klasycznej materii skondensowanej częstość kolizji jest zwykle zbyt wysoka, aby umożliwić długowieczne wzbudzenia podobne do cząstek.

Jednak standardowy pogląd, że kwazicząstki są ograniczone do materii kwantowej, został ostatnio zakwestionowany przez grupę naukowców z Centrum Miękkich i Żywych Materiałów (CSLM) w Instytucie Nauk Podstawowych (IBS) w Korei Południowej. Zbadali klasyczny system składający się z mikrocząstek napędzanych lepkim przepływem w cienkim kanale mikroprzepływowym. Kiedy cząstki są wciągane przez przepływ, zaburzają one reologię wokół nich, wywierając w ten sposób na siebie siły hydrodynamiczne.

Co ciekawe, naukowcy odkryli, że te siły dalekiego zasięgu powodują, że cząstki ustawiają się w pary. Dzieje się tak, ponieważ oddziaływanie hydrodynamiczne narusza trzecie prawo Newtona, które mówi, że siły między dwiema cząstkami muszą być równe co do wielkości i przeciwne w kierunku. Zamiast tego siły są „antynewtonowskie”, ponieważ są równe i skierowane w tym samym kierunku, stabilizując w ten sposób parę.

Duża liczba sparowanych cząstek wskazywała, że ​​są to długowieczne pierwotne wzbudzenia w układzie – jego kwazicząstki. Hipoteza ta okazała się słuszna, gdy naukowcy przeprowadzili symulację dużego dwuwymiarowego kryształu złożonego z tysięcy cząstek i zbadali jego ruch. Siły hydrodynamiczne między cząsteczkami powodują, że kryształ wibruje, podobnie jak fonony termiczne w wibrującym ciele stałym.

Pary kwazicząstek dyfundują przez kryształ, katalizując tworzenie się innych par poprzez reakcję łańcuchową. Kwazicząstki poruszają się szybciej niż prędkość fononów, więc każda para pozostawia po sobie lawinę nowo utworzonych par, podobnie jak stożek Macha generowany za naddźwiękowym dżetem. Wreszcie wszystkie te pary zderzają się ze sobą, co ostatecznie powoduje stopienie kryształu.

Fuzja wytwarzana przez pary jest obserwowana we wszystkich symetriach kryształów z wyjątkiem jednego szczególnego przypadku: kryształu heksagonalnego. Tutaj symetria 3D interakcji hydrodynamicznej odpowiada symetrii kryształu, w wyniku czego początkowe wzbudzenia są bardzo wolnymi fononami o niskiej częstotliwości (nie jak zwykle parami). W widmie widać „płaskie pasmo”, w którym kondensują się te ultrawolne fonony. Interakcja między fononami o płaskim paśmie jest wysoce zbiorcza i spójna, co widać w najbardziej wyraźnej i różnej klasie przejść syntezy jądrowej.

W szczególności, analizując widmo fononów, naukowcy zidentyfikowali typowe stożkowe struktury kwazicząstek Diraca, podobnie jak struktura znajdująca się w widmie elektronowym grafenu. W przypadku kryształu hydrodynamicznego kwazicząstki Diraca to po prostu pary cząstek, które powstają dzięki oddziaływaniu „antynewtonowskiemu” za pośrednictwem przepływu. Pokazuje to, że układ może służyć jako klasyczny odpowiednik cząstek wykrytych w grafenie.

wyjaśnia Tsvi Tusty, jeden z autorów korespondencji.

Co więcej, kwazicząstki i płaskie pasma są przedmiotem szczególnego zainteresowania w fizyce materii skondensowanej. Na przykład ostatnio zaobserwowano płaskie pasma w skręconych podwójnych warstwach grafenu pod określonym „magicznym kątem” i tak się składa, że ​​system hydrodynamiczny badany w IBS CSLM wykazuje podobne płaskie pasma w znacznie prostszym krysztale 2D.

W sumie wyniki te wskazują, że inne pojawiające się zjawiska zbiorowe, mierzone do tej pory tylko w układach kwantowych, można wykryć w różnych klasycznych ustawieniach dyssypacyjnych, takich jak energia i żywa materiamówi Hyuk Kyu Pak, jeden z autorów korespondentów gazety.