Quasiteilchen erscheinen in einer klassischen Umgebung, die Physiker überrascht

Forscher haben zum ersten Mal Quasiteilchen in einem klassischen System bei Raumtemperatur beobachtet und damit die Ansicht in Frage gestellt, dass Quasiteilchen nur in Quantenmaterie existieren können. Die Entdeckung, die in einem dünnen Flüssigkeitskanal mit fließenden Mikropartikeln gemacht wurde, legt nahe, dass die grundlegenden Konzepte der Quantenmateriephysik auf klassische Umgebungen anwendbar sein könnten.

Die Teilchen in vielen Feststoffen und Flüssigkeiten befinden sich sehr nahe beieinander und interagieren daher stark. Das macht solche „Vielteilchen“-Systeme, wie sie genannt werden, schwer zu studieren und zu verstehen. 1941 schlug der sowjetische Physiker Lew Landau eine Lösung für diese komplizierte Situation vor: Warum nicht stattdessen über die Anregungen des Systems nachdenken, anstatt die komplexe Idee stark wechselwirkender Teilchen zu betrachten?

„Wenn diese Anregungen lokalisiert sind und selten miteinander kollidieren, können wir sie als schwach wechselwirkende „effektive Teilchen“ oder Quasiteilchen betrachten“, erklärt sie Tsvi Tlusty vom Institute for Basic Science (IBS) in Korea, der die neue Studie leitete. „Landaus konzeptioneller Durchbruch war für die Erforschung der Quantenmaterie von großem Nutzen, da er Einblicke in viele aufkommende Phänomene gab, wie z. B. Elektronenpaarung in Supraleitung und Suprafluidität und kürzlich Elektronenfluss in Graphen.“

Zu viele Kollisionen

Bisher wurden Quasiteilchen nur als quantenmechanische Objekte betrachtet. In klassischer kondensierter Materie ist die Kollisionsrate von Anregungen typischerweise viel zu hoch, um langlebige teilchenähnliche Anregungen zu ermöglichen. „Unsere Ergebnisse sind ein Durchbruch, weil wir im Gegensatz zu diesem Paradigma ‚Dirac-Quasiteilchen' in einem klassischen hydrodynamischen System beobachtet haben“, sagt Tlusty Physik-Welt.

In der neuen Arbeit Tlusty zusammen mit Kollegin Hyuk Kyū Pak und der Student Imran Saeed untersuchten Ensembles von Mikropartikeln, die durch Wasserströmung in einem sehr dünnen mikrofluidischen Kanal angetrieben wurden. Die Forscher fanden heraus, dass die Bewegung der Partikel die Stromlinien des sie umgebenden Wasserflusses stört. Die Partikel induzieren somit hydrodynamische Kräfte aufeinander.

„Anti-Newtonsche“ Teilchen

„Besonders, die Kräfte zwischen zwei Teilchen sind ‚anti-Newtonsch‘ – das heißt, sie sind in Größe und Richtung gleich im Gegensatz zum Newtonschen Gesetz, das besagt, dass sich die gegenseitigen Kräfte entgegenwirken sollten“, erklärt Tlusty. „Die unmittelbare Folge dieser Symmetrie ist die Entstehung stabiler Paare, die mit gleicher Geschwindigkeit zusammenfließen.“

Das Ergebnis impliziert, dass die Paare klassische Quasiteilchen oder langlebige Anregungen im hydrodynamischen System sind. Die Forscher bestätigten ihre Hypothese, indem sie die Schwingungen (oder Phononen) in hydrodynamischen zweidimensionalen Kristallen analysierten, die eine periodische Anordnung von Tausenden von Partikeln enthielten. Sie fanden heraus, dass die Phononen „Dirac-Kegel“ aufweisen, ähnlich denen, die in Graphen beobachtet werden (eine nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht), in der Paare von Teilchen entstehen.

Dirac-Kegel sind Quantenmerkmale in der elektronischen Bandstruktur eines 2D-Materials, wo sich die Leitungs- und Valenzbänder an einem einzigen Punkt auf dem Fermi-Niveau treffen. Die Bänder nähern sich diesem Punkt linear an, was bedeutet, dass die effektiven kinetischen Energien der Leitungselektronen (und Löcher) direkt proportional zu ihren Impulsen sind. Diese ungewöhnliche Beziehung wird normalerweise nur für Photonen beobachtet, die masselos sind, da die Energien von Elektronen und anderen Materieteilchen bei nichtrelativistischen Geschwindigkeiten normalerweise vom Quadrat ihrer Impulse abhängen. Das Ergebnis ist, dass sich die Elektronen in Dirac-Kegeln verhalten, als ob sie relativistische Teilchen ohne Ruhemasse wären, die sich mit extrem hohen Geschwindigkeiten durch das Material bewegen.

Stark korrelierte flache Bänder

Das IBS-Team beobachtete auch „flache Bänder“ – ein weiteres Quantenphänomen, bei dem das Elektronenenergiespektrum ultralangsame Phononen enthält, die extrem stark korreliert sind. Flache Bänder wurden kürzlich in Doppelschichten aus Graphen entdeckt, die in einem bestimmten Winkel zueinander verdreht sind. Diese Bänder sind Elektronenzustände, in denen kein Zusammenhang zwischen Energie und Geschwindigkeit der Elektronen besteht, und sie sind für Physiker besonders interessant, weil Elektronen in ihnen „dispersionslos“ werden – das heißt, ihre kinetische Energie wird unterdrückt. Wenn die Elektronen fast bis zum Stillstand abbremsen, nähert sich ihre effektive Masse der Unendlichkeit, was zu exotischen topologischen Phänomenen sowie stark korrelierten Materiezuständen führt, die mit Hochtemperatur-Supraleitung, Magnetismus und anderen Quanteneigenschaften von Festkörpern verbunden sind.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass entstehende kollektive Phänomene – wie Quasiteilchen und stark korrelierte Flachbänder – von denen bisher angenommen wurde, dass sie auf Quantensysteme beschränkt sind, in klassischen Umgebungen wie chemischen Systemen und sogar lebender Materie beobachtet werden können“, sagt Tlusty. „Vielleicht sind diese Phänomene viel häufiger, als wir vorher bemerkt haben.“

Halb leichtes, halb Materie-Quasiteilchen erscheint in einem Van-der-Waals-Magneten

Solche Phänomene könnten auch helfen, verschiedene komplexe Prozesse in klassischen Systemen zu erklären, fügt er hinzu. „In dieser Arbeit, detailliert in Naturphysik, erklären wir den Nichtgleichgewichts-Schmelzübergang in dem von uns untersuchten hydrodynamischen Kristall als Ergebnis von „Quasiteilchenlawinen“. Diese treten auf, wenn die Paare von Quasiteilchen, die sich durch den Kristall ausbreiten, die Bildung anderer Paare durch eine Kettenreaktion stimulieren.

„Die Quasiteilchen-Paare bewegen sich schneller als die Geschwindigkeit von Phononen und somit hinterlässt jedes Paar eine Lawine von neu gebildeten Paaren – ähnlich wie der Mach-Kegel, der hinter einem Überschall-Düsenflugzeug erzeugt wird. Schließlich kollidieren all diese Paare miteinander, was schließlich zum Schmelzen des Kristalls führt.“

Die Forscher sagen, dass es viel mehr Beispiele für quantenähnliche Phänomene in anderen klassischen Systemen geben sollte. „Ich habe das Gefühl, dass unsere Ergebnisse nur die Spitze des Eisbergs sind“, sagt Tlusty. „Das Aufdecken solcher Phänomene kann sehr nützlich sein, um das Verständnis von Emergenzmodi und Phasenübergängen voranzutreiben.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/