Kvaasiosakesed ilmuvad klassikalises keskkonnas, üllatades füüsikuid

Teadlased on esimest korda täheldanud kvaasiosakesi klassikalises süsteemis toatemperatuuril, mis seab kahtluse alla seisukoha, et kvaasiosakesed võivad eksisteerida ainult kvantaines. Avastus, mis tehti voolavaid mikroosakesi sisaldavas õhukeses vedelikukanalis, viitab sellele, et kvantainefüüsika põhikontseptsioonid võivad olla rakendatavad klassikalistes seadetes.

Paljudes tahketes ja vedelikes leiduvad osakesed satuvad üksteisele väga lähedale ja on seetõttu tugevas vastasmõjus. Seetõttu on selliseid "mitmekehalisi" süsteeme, nagu neid nimetatakse, raske uurida ja mõista. 1941. aastal pakkus nõukogude füüsik Lev Landau sellele keerulisele olukorrale välja lahenduse: selle asemel, et kaaluda keerulist ideed tugevalt interakteeruvatest osakestest, miks mitte mõelda hoopis süsteemi ergastustele?

"Kui need ergastused on lokaliseeritud ja põrkuvad üksteisega harva, võime neid pidada nõrgalt interakteeruvateks "efektiivseteks osakesteks" või kvaasiosakesteks," selgitab. Tsvi Tlusty Korea alusteaduste instituudi (IBS) esindaja, kes juhtis uut uuringut. "Landau kontseptuaalne läbimurre on olnud kvantaine uurimisel tohutult kasulik, andes ülevaate paljudest esilekerkivatest nähtustest, nagu elektronide sidumine ülijuhtivuses ja ülivoolavuses ning hiljuti elektronide voog grafeenis."

Liiga palju kokkupõrkeid

Seni on kvaasiosakesi peetud ainult kvantmehaanilisteks objektideks. Klassikalises kondenseerunud aines on ergastuste kokkupõrkekiirus tavaliselt liiga kõrge, et võimaldada pikaealisi osakestetaolisi ergastusi. "Meie leiud on läbimurre, sest erinevalt sellest paradigmast täheldasime "Diraci kvaasiosakesi" klassikalises hüdrodünaamilises süsteemis, " räägib Tlusty. Füüsika maailm.

Uues töös Tlusty koos kolleegiga Hyuk Kyu Pak ja üliõpilane Imran Saeed uurisid mikroosakeste ansambleid, mida juhib veevool väga õhukeses mikrofluidikanalis. Teadlased leidsid, et osakeste liikumine häirib neid ümbritseva veevoolu voolu. Osakesed indutseerivad seega üksteisele hüdrodünaamilisi jõude.

"Anti-Newtoni" osakesed

"Iseloomulikult on kahe osakese vahelised jõud "anti-Newtoni" - see tähendab, et need on suuruselt ja suunalt võrdsed, vastupidiselt Newtoni seadusele, mis ütleb, et vastastikused jõud peaksid vastanduma, " selgitab Tlusty. "Selle sümmeetria vahetu tagajärg on stabiilsete paaride tekkimine, mis voolavad koos sama kiirusega."

Tulemus viitab sellele, et paarid on klassikalised kvaasiosakesed või pikaajalised ergastused hüdrodünaamilises süsteemis. Teadlased kinnitasid oma hüpoteesi, analüüsides tuhandetest osakestest koosnevat perioodilist massiivi sisaldavate hüdrodünaamiliste kahemõõtmeliste kristallide vibratsiooni (või fononeid). Nad leidsid, et fononitel on "Diraci koonused", mis on sarnased grafeeniga (ainult ühe aatomi paksune süsinikuleht), millest tekivad osakeste paarid.

Diraci koonused on 2D-materjali elektroonilise ribastruktuuri kvantfunktsioonid, kus juhtivus- ja valentsribad kohtuvad ühes punktis Fermi tasemel. Ribad lähenevad sellele punktile lineaarselt, mis tähendab, et juhtivuse elektronide (ja aukude) efektiivsed kineetilised energiad on otseselt võrdelised nende momentidega. Seda ebatavalist seost nähakse tavaliselt ainult footonite puhul, mis on massita, kuna elektronide ja muude aineosakeste energiad mitterelativistlikul kiirusel sõltuvad tavaliselt nende momentide ruudust. Tulemuseks on see, et Diraci koonustes olevad elektronid käituvad nii, nagu nad oleksid relativistlikud osakesed, millel pole puhkemassi ja mis liiguvad läbi materjali äärmiselt suure kiirusega.

Tugevalt korrelatsioonis lamedad ribad

IBS-i meeskond täheldas ka "lamedaid ribasid" - teist kvantnähtust, mille puhul elektronide energiaspekter sisaldab üliaeglaseid fonone, mis on väga tugevas korrelatsioonis. Hiljuti avastati lamedad ribad grafeeni kaksikkihtidest, mis olid üksteise suhtes teatud nurga all keerdunud. Need ribad on elektronide olekud, milles elektronide energia ja kiiruse vahel puudub seos ning need on füüsikutele eriti huvitavad, kuna elektronid muutuvad neis "hajutuks" ehk nende kineetiline energia on alla surutud. Kui elektronid aeglustuvad peaaegu peatuseni, läheneb nende efektiivne mass lõpmatuseni, mis toob kaasa eksootilised topoloogilised nähtused, samuti tugevas korrelatsioonis aine olekud, mis on seotud kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse, magnetismi ja muude tahkete ainete kvantomadustega.

"Meie tulemused näitavad, et tekkivaid kollektiivseid nähtusi - nagu kvaasiosakesed ja tugevalt korrelatsioonis lamedad ribad -, mis seni arvati piirduvat kvantsüsteemidega, võib täheldada klassikalistes tingimustes, näiteks keemilistes süsteemides ja isegi elusaines," ütleb Tlusty. "Võib-olla on need nähtused palju tavalisemad, kui me varem mõistsime."

Van der Waalsi magnetis ilmub poolkerge poolaine kvaasiosake

Ta lisab, et sellised nähtused võivad aidata selgitada erinevaid keerulisi protsesse ka klassikalistes süsteemides. "Selles töös on üksikasjalikult kirjeldatud Loodusfüüsika, selgitame uuritud hüdrodünaamiliste kristallide mittetasakaalu sulamise üleminekut kui kvaasiosakeste laviinide tulemust. Need tekivad siis, kui läbi kristalli levivad kvaasiosakeste paarid stimuleerivad ahelreaktsiooni kaudu teiste paaride teket.

„Kvaasiosakeste paarid liiguvad kiiremini kui fonoonide kiirus ja seega jätab iga paar endast maha äsja moodustunud paaride laviini – pigem nagu Machi koonus, mis tekib ülehelikiirusega reaktiivlennuki taga. Lõpuks põrkuvad kõik need paarid üksteisega kokku, mis lõpuks viib kristalli sulamiseni.

Teadlaste sõnul peaks teistes klassikalistes süsteemides olema palju rohkem näiteid kvantitaoliste nähtuste kohta. "Ma tunnen, et meie leiud on vaid jäämäe tipp," ütleb Tlusty. "Selliste nähtuste paljastamine võib olla väga kasulik tekkivate režiimide ja faasiüleminekute mõistmise edendamiseks."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/