تظهر أشباه الجسيمات في بيئة كلاسيكية ، مما أثار دهشة علماء الفيزياء

لاحظ الباحثون أشباه الجسيمات في نظام كلاسيكي في درجة حرارة الغرفة لأول مرة ، متحدين وجهة النظر القائلة بأن أشباه الجسيمات لا يمكن أن توجد إلا في المادة الكمومية. يشير الاكتشاف ، الذي تم إجراؤه في قناة سائلة رفيعة تحتوي على جسيمات دقيقة متدفقة ، إلى أن المفاهيم الأساسية لفيزياء المادة الكمومية قد تكون قابلة للتطبيق على الإعدادات الكلاسيكية.

تجد الجسيمات في العديد من المواد الصلبة والسائلة نفسها قريبة جدًا من بعضها البعض وبالتالي تتفاعل بقوة. وهذا يجعل أنظمة "الأجسام المتعددة" ، كما يطلق عليها ، صعبة الدراسة والفهم. في عام 1941 ، طرح الفيزيائي السوفيتي ليف لانداو حلاً لهذا الوضع المعقد: بدلاً من التفكير في الفكرة المعقدة المتمثلة في تفاعل الجسيمات بقوة ، لماذا لا نفكر بدلاً من ذلك في إثارة النظام؟

"إذا كانت هذه الإثارة موضعية ونادرًا ما تصطدم ببعضها البعض ، فيمكننا اعتبارها" جسيمات فعالة "أو أشباه جسيمات ضعيفة التفاعل" ، يشرح تسفي تلوستي من معهد العلوم الأساسية (IBS) في كوريا ، الذي قاد الدراسة الجديدة. "كان اختراق لانداو المفاهيمي مفيدًا للغاية في أبحاث المادة الكمومية ، حيث قدم نظرة ثاقبة للعديد من الظواهر الناشئة ، مثل اقتران الإلكترون في الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة ، وتدفق الإلكترون مؤخرًا في الجرافين."

الكثير من الاصطدامات

حتى الآن ، اعتبرت أشباه الجسيمات فقط كأشياء كمومية. في المادة المكثفة الكلاسيكية ، عادةً ما يكون معدل تصادم الإثارة مرتفعًا جدًا للسماح بإثارة طويلة العمر تشبه الجسيمات. يقول تلاستي: "النتائج التي توصلنا إليها تقدم كبير لأننا ، على النقيض من هذا النموذج ، لاحظنا" أشباه جسيمات ديراك "في نظام هيدروديناميكي كلاسيكي" عالم الفيزياء.

في العمل الجديد ، Tlusty مع زميل هيوك كيو باك ودرس الطالب عمران سعيد مجموعات من الجسيمات الدقيقة مدفوعة بتدفق الماء في قناة موائع دقيقة للغاية. وجد الباحثون أن حركة الجسيمات تشوش انسيابية تدفق المياه المحيطة بها. وهكذا تحفز الجسيمات قوى هيدروديناميكية على بعضها البعض.

الجسيمات "المضادة للنيوتن"

"بشكل غريب ، القوى بين جسيمين" معادية لنيوتونية "- أي أنها متساوية في الحجم والاتجاه على عكس قانون نيوتن ، الذي ينص على أن القوى المشتركة يجب أن تتعارض مع بعضها البعض ، يشرح تلاستي. "النتيجة المباشرة لهذا التناظر هي ظهور أزواج مستقرة تتدفق معًا بنفس السرعة."

تشير النتيجة إلى أن الأزواج عبارة عن أشباه جسيمات كلاسيكية ، أو إثارة طويلة العمر في النظام الهيدروديناميكي. أكد الباحثون فرضيتهم من خلال تحليل الاهتزازات (أو الفونونات) في بلورات هيدروديناميكية ثنائية الأبعاد تحتوي على مجموعة دورية من آلاف الجسيمات. وجدوا أن الفونونات تظهر "مخاريط ديراك" ، مثل تلك التي لوحظت في الجرافين (لوح من الكربون بسماكة ذرة واحدة فقط) حيث تظهر أزواج من الجسيمات.

مخاريط ديراك هي سمات كمومية في بنية النطاق الإلكتروني لمادة ثنائية الأبعاد حيث تلتقي نطاقي التوصيل والتكافؤ في نقطة واحدة على مستوى فيرمي. تقترب العصابات من هذه النقطة بطريقة خطية ، مما يعني أن الطاقات الحركية الفعالة لإلكترونات التوصيل (والثقوب) تتناسب طرديًا مع عزمها. عادةً ما تُرى هذه العلاقة غير العادية فقط للفوتونات ، التي لا كتلة ، لأن طاقات الإلكترونات وجسيمات المادة الأخرى بسرعات غير نسبية تعتمد عادةً على مربع عزمها. والنتيجة هي أن الإلكترونات الموجودة في مخاريط ديراك تتصرف كما لو أنها جسيمات نسبية بدون كتلة راحة ، تنتقل عبر المادة بسرعات عالية للغاية.

العصابات المسطحة مرتبطة بقوة

لاحظ فريق IBS أيضًا "العصابات المسطحة" - وهي ظاهرة كمومية أخرى يحتوي فيها طيف طاقة الإلكترون على فونونات بطيئة للغاية ترتبط ارتباطًا وثيقًا للغاية. تم اكتشاف العصابات المسطحة مؤخرًا في طبقات ثنائية من الجرافين الملتوية فيما يتعلق ببعضها البعض بزاوية معينة. هذه النطاقات عبارة عن حالات إلكترونية لا توجد فيها علاقة بين طاقة الإلكترونات وسرعتها وهي مثيرة للاهتمام بشكل خاص للفيزيائيين لأن الإلكترونات تصبح "عديمة التشتت" فيها - أي أن طاقتها الحركية مكبوتة. مع تباطؤ الإلكترونات تقريبًا إلى حد التوقف ، تقترب كتلتها الفعالة من اللانهاية ، مما يؤدي إلى ظواهر طوبولوجية غريبة بالإضافة إلى حالات مرتبطة بشدة من المادة المرتبطة بالموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية والمغناطيسية وغيرها من الخصائص الكمومية للمواد الصلبة.

"تشير نتائجنا إلى أن الظواهر الجماعية الناشئة - مثل أشباه الجسيمات والعصابات المسطحة المترابطة بقوة - والتي كان يُعتقد حتى الآن أنها تقتصر على الأنظمة الكمومية يمكن ملاحظتها في الإعدادات الكلاسيكية ، مثل الأنظمة الكيميائية وحتى المادة الحية" ، كما يقول Tlusty. "ربما تكون هذه الظواهر أكثر شيوعًا مما أدركناه من قبل."

يظهر شبه الجسيم نصف الخفيف ونصف المادة في مغناطيس فان دير فالس

ويضيف أن مثل هذه الظواهر قد تساعد في تفسير العمليات المعقدة المختلفة في الأنظمة الكلاسيكية أيضًا. "في هذا العمل ، بالتفصيل في فيزياء الطبيعة، نفسر انتقال الذوبان غير المتوازن في البلورة الهيدروديناميكية التي درسناها على أنها نتيجة "الانهيارات الجسيمية شبه الجسيمية". تحدث هذه عندما تنتشر أزواج أشباه الجسيمات على الرغم من أن البلورة تحفز تكوين أزواج أخرى من خلال تفاعل متسلسل.

"أزواج أشباه الجسيمات تنتقل أسرع من سرعة الفونونات ، وبالتالي يترك كل زوج وراءه سيلًا من الأزواج المشكلة حديثًا - مثل مخروط ماخ المتولد خلف طائرة نفاثة أسرع من الصوت. أخيرًا ، تصطدم كل هذه الأزواج مع بعضها البعض ، مما يؤدي في النهاية إلى ذوبان الكريستال ".

يقول الباحثون إنه يجب أن يكون هناك العديد من الأمثلة على الظواهر الشبيهة بالكم في الأنظمة الكلاسيكية الأخرى. يقول Tlusty: "أشعر أن النتائج التي توصلنا إليها ليست سوى غيض من فيض". "قد يكون الكشف عن مثل هذه الظواهر مفيدًا جدًا في تعزيز فهم الأنماط الناشئة وتحولات الطور."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/