Las cuasipartículas aparecen en un escenario clásico, sorprenden a los físicos

Los investigadores han observado cuasipartículas en un sistema clásico a temperatura ambiente por primera vez, desafiando la opinión de que las cuasipartículas solo pueden existir en la materia cuántica. El descubrimiento, realizado en un canal fluídico delgado que contiene micropartículas que fluyen, sugiere que los conceptos básicos de la física cuántica de la materia podrían aplicarse a entornos clásicos.

Las partículas de muchos sólidos y líquidos se encuentran muy cerca unas de otras y, por lo tanto, interactúan fuertemente. Esto hace que los sistemas de "muchos cuerpos", como se les llama, sean difíciles de estudiar y comprender. En 1941, el físico soviético Lev Landau propuso una solución a esta complicada situación: en lugar de considerar la idea compleja de partículas que interactúan fuertemente, ¿por qué no pensar en cambio en las excitaciones del sistema?

"Si estas excitaciones están localizadas y rara vez chocan entre sí, podemos considerarlas como 'partículas efectivas' o cuasipartículas que interactúan débilmente", explica Tsvi Tlusty del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Corea, que dirigió el nuevo estudio. "El avance conceptual de Landau ha sido inmensamente útil en la investigación de la materia cuántica, proporcionando información sobre muchos fenómenos emergentes, como el emparejamiento de electrones en la superconductividad y la superfluidez, y recientemente el flujo de electrones en el grafeno".

Demasiadas colisiones

Hasta ahora, las cuasipartículas solo se han considerado como objetos mecánicos cuánticos. En la materia condensada clásica, la tasa de colisión de las excitaciones suele ser demasiado alta para permitir excitaciones similares a partículas de larga duración. "Nuestros hallazgos son un gran avance porque, en contraste con este paradigma, observamos 'cuasipartículas de Dirac' en un sistema hidrodinámico clásico", dice Tlusty. Mundo de la física.

En el nuevo trabajo, Tlusty junto con su colega. Hyuk KyuPak y el estudiante Imran Saeed estudió conjuntos de micropartículas impulsadas por el flujo de agua en un canal microfluídico muy delgado. Los investigadores encontraron que el movimiento de las partículas perturba las líneas de corriente del flujo de agua que las rodea. Las partículas inducen así fuerzas hidrodinámicas entre sí.

Partículas “anti-newtonianas”

“Curiosamente, las fuerzas entre dos partículas son 'anti-newtonianas', es decir, son iguales en magnitud y dirección en contraste con la ley de Newton, que establece que las fuerzas mutuas deben oponerse”, explica Tlusty. “La consecuencia inmediata de esta simetría es la aparición de pares estables que fluyen juntos a la misma velocidad”.

El resultado implica que los pares son cuasipartículas clásicas o excitaciones de larga duración en el sistema hidrodinámico. Los investigadores confirmaron su hipótesis analizando las vibraciones (o fonones) en cristales bidimensionales hidrodinámicos que contienen una matriz periódica de miles de partículas. Descubrieron que los fonones exhiben "conos de Dirac", muy parecidos a los observados en el grafeno (una lámina de carbono de solo un átomo de espesor) en el que emergen pares de partículas.

Los conos de Dirac son características cuánticas en la estructura de bandas electrónicas de un material 2D donde las bandas de conducción y valencia se encuentran en un solo punto en el nivel de Fermi. Las bandas se acercan a este punto de forma lineal, lo que significa que las energías cinéticas efectivas de los electrones de conducción (y los huecos) son directamente proporcionales a sus momentos. Esta relación inusual normalmente solo se ve para los fotones, que no tienen masa, porque las energías de los electrones y otras partículas de materia a velocidades no relativistas generalmente dependen del cuadrado de sus momentos. El resultado es que los electrones en los conos de Dirac se comportan como si fueran partículas relativistas sin masa en reposo, viajando a través del material a velocidades extremadamente altas.

Bandas planas fuertemente correlacionadas

El equipo de IBS también observó "bandas planas", otro fenómeno cuántico en el que el espectro de energía de los electrones contiene fonones ultralentos que se correlacionan de manera extremadamente fuerte. Recientemente se han descubierto bandas planas en bicapas de grafeno torcidas entre sí en un cierto ángulo. Estas bandas son estados electrónicos en los que no hay relación entre la energía y la velocidad de los electrones y son especialmente interesantes para los físicos porque los electrones se vuelven "sin dispersión" en ellas, es decir, su energía cinética se suprime. A medida que los electrones se ralentizan casi hasta detenerse, su masa efectiva se acerca al infinito, lo que conduce a fenómenos topológicos exóticos, así como a estados de la materia fuertemente correlacionados asociados con la superconductividad a alta temperatura, el magnetismo y otras propiedades cuánticas de los sólidos.

"Nuestros resultados sugieren que los fenómenos colectivos emergentes, como las cuasipartículas y las bandas planas fuertemente correlacionadas, que hasta ahora se pensaba que estaban limitados a los sistemas cuánticos, pueden observarse en entornos clásicos, como los sistemas químicos e incluso la materia viva", dice Tlusty. "Quizás estos fenómenos son mucho más comunes de lo que nos dimos cuenta antes".

Cuasipartícula mitad luz mitad materia aparece en un imán de van der Waals

Tales fenómenos también pueden ayudar a explicar varios procesos complejos en los sistemas clásicos, agrega. “En este trabajo, detallado en Física de la naturaleza, explicamos la transición de fusión sin equilibrio en el cristal hidrodinámico que estudiamos como el resultado de 'avalanchas de cuasipartículas'. Estos ocurren cuando los pares de cuasipartículas que se propagan a través del cristal estimulan la creación de otros pares a través de una reacción en cadena.

“Los pares de cuasipartículas viajan más rápido que la velocidad de los fonones y, por lo tanto, cada par deja atrás una avalancha de pares recién formados, como el cono de Mach generado detrás de un avión a reacción supersónico. Finalmente, todos esos pares chocan entre sí, lo que eventualmente conduce a la fusión del cristal”.

Los investigadores dicen que debería haber muchos más ejemplos de fenómenos de tipo cuántico en otros sistemas clásicos. “Siento que nuestros hallazgos son solo la punta del iceberg”, dice Tlusty. "Revelar tales fenómenos puede ser muy útil para avanzar en la comprensión de los modos emergentes y las transiciones de fase".

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