Τα οιονεί σωματίδια εμφανίζονται σε ένα κλασικό περιβάλλον, εκπλήσσοντας τους φυσικούς

Οι ερευνητές παρατήρησαν οιονεί σωματίδια σε ένα κλασικό σύστημα σε θερμοκρασία δωματίου για πρώτη φορά, αμφισβητώντας την άποψη ότι τα οιονεί σωματίδια μπορούν να υπάρχουν μόνο στην κβαντική ύλη. Η ανακάλυψη, που έγινε σε ένα λεπτό ρευστό κανάλι που περιέχει ρέοντα μικροσωματίδια, υποδηλώνει ότι οι βασικές έννοιες της φυσικής της κβαντικής ύλης μπορεί να είναι εφαρμόσιμες σε κλασικές ρυθμίσεις.

Τα σωματίδια σε πολλά στερεά και υγρά βρίσκονται πολύ κοντά το ένα στο άλλο και επομένως αλληλεπιδρούν έντονα. Αυτό καθιστά τέτοια συστήματα «πολλαπλών σωμάτων», όπως ονομάζονται, δύσκολο να μελετηθούν και να κατανοηθούν. Το 1941 ο Σοβιετικός φυσικός Λεβ Λαντάου πρότεινε μια λύση σε αυτή την περίπλοκη κατάσταση: αντί να εξετάσουμε την περίπλοκη ιδέα των ισχυρά αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, γιατί να μην σκεφτούμε αντί για τις διεγέρσεις του συστήματος;

«Εάν αυτές οι διεγέρσεις είναι εντοπισμένες και σπάνια συγκρούονται μεταξύ τους, μπορούμε να τις θεωρήσουμε ως ασθενώς αλληλεπιδρώντα «αποτελεσματικά σωματίδια» ή οιονεί σωματίδια», εξηγεί. Tsvi Tlusty του Ινστιτούτου Βασικής Επιστήμης (IBS) στην Κορέα, ο οποίος ηγήθηκε της νέας μελέτης. «Η εννοιολογική ανακάλυψη του Landau ήταν εξαιρετικά χρήσιμη στην έρευνα της κβαντικής ύλης, παρέχοντας πληροφορίες για πολλά αναδυόμενα φαινόμενα, όπως το ζεύγος ηλεκτρονίων στην υπεραγωγιμότητα και την υπερρευστότητα και πρόσφατα τη ροή ηλεκτρονίων στο γραφένιο».

Πάρα πολλές συγκρούσεις

Μέχρι τώρα, τα οιονεί σωματίδια θεωρούνταν μόνο ως κβαντομηχανικά αντικείμενα. Στην κλασική συμπυκνωμένη ύλη, ο ρυθμός σύγκρουσης των διεγέρσεων είναι συνήθως πολύ υψηλός για να επιτρέψει μακρόβιες διεγέρσεις που μοιάζουν με σωματίδια. «Τα ευρήματά μας είναι μια σημαντική ανακάλυψη γιατί, σε αντίθεση με αυτό το παράδειγμα, παρατηρήσαμε «οιονεί σωματίδια Dirac» σε ένα κλασικό υδροδυναμικό σύστημα», λέει ο Tlusty. Κόσμος Φυσικής.

Στη νέα δουλειά, ο Tlusty μαζί με συνάδελφο Χιούκ Κιου Πακ και ο μαθητής Imran Saeed μελέτησαν σύνολα μικροσωματιδίων που οδηγούνται από τη ροή του νερού σε ένα πολύ λεπτό μικρορευστο κανάλι. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κίνηση των σωματιδίων διαταράσσει τα ρεύματα της ροής του νερού που τα περιβάλλουν. Τα σωματίδια επάγουν έτσι υδροδυναμικές δυνάμεις το ένα στο άλλο.

«Αντι-νευτώνεια» σωματίδια

«Ιδιαίτερα, οι δυνάμεις μεταξύ δύο σωματιδίων είναι «αντι-νευτώνειες» – δηλαδή είναι ίσες σε μέγεθος και κατεύθυνση σε αντίθεση με το νόμο του Νεύτωνα, ο οποίος δηλώνει ότι οι αμοιβαίες δυνάμεις πρέπει να αντιτίθενται η μία στην άλλη», εξηγεί ο Tlusty. «Η άμεση συνέπεια αυτής της συμμετρίας είναι η εμφάνιση σταθερών ζευγών που ρέουν μαζί με την ίδια ταχύτητα».

Το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι τα ζεύγη είναι κλασικά οιονεί σωματίδια, ή μακρόβιες διεγέρσεις στο υδροδυναμικό σύστημα. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν την υπόθεσή τους αναλύοντας τις δονήσεις (ή φωνόνια) σε υδροδυναμικούς δισδιάστατους κρυστάλλους που περιέχουν μια περιοδική συστοιχία χιλιάδων σωματιδίων. Βρήκαν ότι τα φωνόνια εμφανίζουν «κώνους Dirac», όπως αυτοί που παρατηρούνται στο γραφένιο (ένα φύλλο άνθρακα πάχους μόνο ενός ατόμου) στο οποίο αναδύονται ζεύγη σωματιδίων.

Οι κώνοι Dirac είναι κβαντικά χαρακτηριστικά στη δομή της ηλεκτρονικής ζώνης ενός δισδιάστατου υλικού όπου οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους συναντώνται σε ένα μόνο σημείο στο επίπεδο Fermi. Οι ζώνες προσεγγίζουν αυτό το σημείο με γραμμικό τρόπο, πράγμα που σημαίνει ότι οι ενεργές κινητικές ενέργειες των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας (και των οπών) είναι ευθέως ανάλογες με τη ροπή τους. Αυτή η ασυνήθιστη σχέση παρατηρείται συνήθως μόνο για φωτόνια, τα οποία είναι χωρίς μάζα, επειδή οι ενέργειες των ηλεκτρονίων και άλλων σωματιδίων της ύλης σε μη σχετικιστικές ταχύτητες συνήθως εξαρτώνται από το τετράγωνο της ροπής τους. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα ηλεκτρόνια στους κώνους Dirac συμπεριφέρονται σαν να είναι σχετικιστικά σωματίδια χωρίς μάζα ηρεμίας, που ταξιδεύουν μέσα από το υλικό με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες.

Επίπεδες ζώνες ισχυρά συσχετισμένες

Η ομάδα του IBS παρατήρησε επίσης «επίπεδες ζώνες» - ένα άλλο κβαντικό φαινόμενο στο οποίο το φάσμα ενέργειας των ηλεκτρονίων περιέχει εξαιρετικά αργά φωνόνια που συσχετίζονται εξαιρετικά ισχυρά. Επίπεδες λωρίδες ανακαλύφθηκαν πρόσφατα σε διπλά στρώματα γραφενίου στριμμένα μεταξύ τους σε μια ορισμένη γωνία. Αυτές οι ζώνες είναι καταστάσεις ηλεκτρονίων στις οποίες δεν υπάρχει σχέση μεταξύ της ενέργειας και της ταχύτητας των ηλεκτρονίων και είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες για τους φυσικούς επειδή τα ηλεκτρόνια γίνονται «χωρίς διασπορά» σε αυτές – δηλαδή, η κινητική τους ενέργεια καταστέλλεται. Καθώς τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται σχεδόν σε μια στάση, η αποτελεσματική μάζα τους πλησιάζει το άπειρο, οδηγώντας σε εξωτικά τοπολογικά φαινόμενα καθώς και σε έντονα συσχετισμένες καταστάσεις της ύλης που σχετίζονται με την υπεραγωγιμότητα υψηλής θερμοκρασίας, τον μαγνητισμό και άλλες κβαντικές ιδιότητες των στερεών.

«Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι αναδυόμενα συλλογικά φαινόμενα - όπως τα οιονεί σωματίδια και οι ισχυρά συσχετισμένες επίπεδες ζώνες - που μέχρι στιγμής πιστευόταν ότι περιορίζονταν σε κβαντικά συστήματα μπορούν να παρατηρηθούν σε κλασικά περιβάλλοντα, όπως χημικά συστήματα και ακόμη και ζωντανή ύλη», λέει ο Tlusty. «Ίσως αυτά τα φαινόμενα να είναι πολύ πιο συνηθισμένα από ό,τι είχαμε συνειδητοποιήσει πριν».

Ημι-ελαφρύ, μισή ύλη οιονείσωματίδιο εμφανίζεται σε έναν μαγνήτη van der Waals

Τέτοια φαινόμενα μπορεί να βοηθήσουν στην εξήγηση διαφόρων πολύπλοκων διαδικασιών και στα κλασικά συστήματα, προσθέτει. «Σε αυτό το έργο, αναλυτικά στο Φυσική της Φύσης, εξηγούμε τη μετάπτωση τήξης μη ισορροπίας στον υδροδυναμικό κρύσταλλο που μελετήσαμε ως αποτέλεσμα «χιονοστιβάδων οιονεί σωματιδίων». Αυτά συμβαίνουν όταν τα ζεύγη οιονεί σωματιδίων που διαδίδονται μέσω του κρυστάλλου διεγείρουν τη δημιουργία άλλων ζευγών μέσω μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

«Τα ζευγάρια οιονεί σωματιδίων ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα των φωνονίων και έτσι κάθε ζεύγος αφήνει πίσω του μια χιονοστιβάδα από νεοσχηματισμένα ζεύγη – μάλλον σαν τον κώνο Mach που δημιουργείται πίσω από ένα υπερηχητικό αεροπλάνο. Τελικά, όλα αυτά τα ζεύγη συγκρούονται μεταξύ τους, κάτι που τελικά οδηγεί στο λιώσιμο των κρυστάλλων».

Οι ερευνητές λένε ότι θα πρέπει να υπάρχουν πολλά περισσότερα παραδείγματα φαινομένων που μοιάζουν με κβαντικά σε άλλα κλασικά συστήματα. «Νιώθω ότι τα ευρήματά μας είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου», λέει ο Tlusty. «Η αποκάλυψη τέτοιων φαινομένων μπορεί να είναι πολύ χρήσιμη για την προώθηση της κατανόησης των αναδυόμενων τρόπων λειτουργίας και των μεταβάσεων φάσης».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/