Kvasipartikler optræder i klassiske omgivelser, og det overrasker fysikere

Kvasipartikler optræder i klassiske omgivelser, og det overrasker fysikere

Tidsstempel: 23. februar 2023 kl. 5:14

Eksperimentel måling af kolloide partikler, der danner stabile, hydrodynamisk koblede par, der bevæger sig med samme hastighed i en tynd mikrofluidisk kanal
Kvasipartikler i et klassisk system. (Med høflighed: Institut for Grundvidenskab)

Forskere har observeret kvasipartikler i et klassisk system ved stuetemperatur for første gang, hvilket udfordrer synspunktet om, at kvasipartikler kun kan eksistere i kvantestof. Opdagelsen, der er gjort i en tynd fluidkanal indeholdende strømmende mikropartikler, tyder på, at de grundlæggende begreber inden for kvantestoffysik kan være anvendelige til klassiske omgivelser.

Partiklerne i mange faste stoffer og væsker befinder sig meget tæt på hinanden og interagerer derfor stærkt. Dette gør sådanne "mange-krops"-systemer, som de kaldes, svære at studere og forstå. I 1941 fremlagde den sovjetiske fysiker Lev Landau en løsning på denne komplicerede situation: i stedet for at overveje den komplekse idé om stærkt interagerende partikler, hvorfor så ikke i stedet tænke på systemets excitationer?

"Hvis disse excitationer er lokaliserede og sjældent kolliderer med hinanden, kan vi betragte dem som svagt interagerende 'effektive partikler' eller kvasipartikler," forklarer Tsvi Tlusty fra Institute for Basic Science (IBS) i Korea, der ledede det nye studie. "Landaus konceptuelle gennembrud har været uhyre nyttigt inden for kvantestofforskning og har givet indsigt i mange nye fænomener, såsom elektronparring i superledning og superfluiditet og for nylig elektronstrøm i grafen."

For mange kollisioner

Indtil nu er kvasipartikler kun blevet betragtet som kvantemekaniske objekter. I klassisk kondenseret stof er kollisionshastigheden af ​​excitationer typisk alt for høj til at tillade langlivede partikellignende excitationer. "Vores resultater er et gennembrud, fordi vi i modsætning til dette paradigme observerede 'Dirac kvasipartikler' i et klassisk hydrodynamisk system," fortæller Tlusty Fysik verden.

I det nye arbejde, Tlusty sammen med kollega Hyuk Kyu Pak og studerende Imran Saeed studerede ensembler af mikropartikler drevet af vandstrøm i en meget tynd mikrofluidisk kanal. Forskerne fandt ud af, at partiklernes bevægelse forstyrrer strømlinjerne i vandstrømmen omkring dem. Partiklerne inducerer således hydrodynamiske kræfter på hinanden.

"Anti-Newtonske" partikler

"Mærkeligt er kræfterne mellem to partikler 'anti-newtonske' - det vil sige, at de er lige store i størrelse og retning i modsætning til Newtons lov, som siger, at de gensidige kræfter skal modsætte sig hinanden," forklarer Tlusty. "Den umiddelbare konsekvens af denne symmetri er fremkomsten af ​​stabile par, der flyder sammen med samme hastighed."

Resultatet antyder, at parrene er klassiske kvasipartikler eller langlivede excitationer i det hydrodynamiske system. Forskerne bekræftede deres hypotese ved at analysere vibrationerne (eller fononerne) i hydrodynamiske todimensionelle krystaller, der indeholder en periodisk række af tusindvis af partikler. De fandt ud af, at fononerne udviser "Dirac-kegler", meget som dem, der observeres i grafen (et ark kulstof kun et atom tykt), hvori par af partikler dukker op.

Dirac-kegler er kvantetræk i den elektroniske båndstruktur af et 2D-materiale, hvor lednings- og valensbåndene mødes i et enkelt punkt på Fermi-niveauet. Båndene nærmer sig dette punkt på en lineær måde, hvilket betyder, at de effektive kinetiske energier af ledningselektronerne (og hullerne) er direkte proportionale med deres momenta. Dette usædvanlige forhold ses normalt kun for fotoner, som er masseløse, fordi energierne af elektroner og andre stofpartikler ved ikke-relativistiske hastigheder normalt afhænger af kvadratet af deres momenta. Resultatet er, at elektronerne i Dirac-kegler opfører sig, som om de er relativistiske partikler uden hvilemasse, der bevæger sig gennem materialet med ekstremt høje hastigheder.

Stærkt korrelerede flade bånd

IBS-teamet observerede også "flade bånd" - et andet kvantefænomen, hvor elektronenergispektret indeholder ultralangsomme fononer, der er ekstremt stærkt korrelerede. Flade bånd blev for nylig opdaget i dobbeltlag af grafen snoet i forhold til hinanden i en bestemt vinkel. Disse bånd er elektrontilstande, hvor der ikke er nogen sammenhæng mellem elektronernes energi og hastighed, og de er særligt interessante for fysikere, fordi elektroner bliver "spredningsløse" i dem - det vil sige, at deres kinetiske energi undertrykkes. Når elektronerne sænker farten næsten til et stop, nærmer deres effektive masse sig det uendelige, hvilket fører til eksotiske topologiske fænomener såvel som stærkt korrelerede stoftilstande forbundet med højtemperatur superledning, magnetisme og andre kvanteegenskaber af faste stoffer.

"Vores resultater tyder på, at nye kollektive fænomener - som kvasipartikler og stærkt korrelerede flade bånd - som hidtil blev anset for at være begrænset til kvantesystemer, kan observeres i klassiske omgivelser, såsom kemiske systemer og endda levende stof," siger Tlusty. "Måske er disse fænomener meget mere almindelige, end vi indså før."

Sådanne fænomener kan også være med til at forklare forskellige komplekse processer i klassiske systemer, tilføjer han. "I dette arbejde, detaljeret i Naturfysik, forklarer vi ikke-ligevægtssmelteovergangen i den hydrodynamiske krystal, vi undersøgte, som værende resultatet af 'kvasipartikle laviner'. Disse opstår, når parrene af kvasipartikler, der forplanter sig gennem krystallen, stimulerer skabelsen af ​​andre par gennem en kædereaktion.

"Kvasipartikelparrene rejser hurtigere end fononernes hastighed, og dermed efterlader hvert par en lavine af nydannede par - ligesom Mach-keglen genereret bag et supersonisk jetfly. Til sidst kolliderer alle disse par med hinanden, hvilket til sidst fører til, at krystallen smelter."

Forskerne siger, at der burde være mange flere eksempler på kvantelignende fænomener i andre klassiske systemer. "Jeg føler, at vores resultater kun er toppen af ​​isbjerget," siger Tlusty. "At afsløre sådanne fænomener kan være meget nyttigt til at fremme forståelsen af ​​emergente tilstande og faseovergange."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden