شبه ذرات در یک محیط کلاسیک ظاهر می شوند و فیزیکدانان را شگفت زده می کند

محققان برای اولین بار شبه ذرات را در یک سیستم کلاسیک در دمای اتاق مشاهده کردند و این دیدگاه را که شبه ذرات فقط در ماده کوانتومی می توانند وجود داشته باشند را به چالش می کشند. این کشف که در یک کانال سیال نازک حاوی ریزذرات جاری انجام شد، نشان می‌دهد که مفاهیم اساسی فیزیک ماده کوانتومی ممکن است برای تنظیمات کلاسیک قابل استفاده باشد.

ذرات موجود در بسیاری از جامدات و مایعات خود را بسیار نزدیک به یکدیگر می بینند و بنابراین به شدت برهم کنش می کنند. این امر مطالعه و درک چنین سیستم‌های «چند بدنی» را که به آنها می‌گویند دشوار می‌کند. در سال 1941، لو لاندو، فیزیکدان شوروی، راه حلی برای این وضعیت پیچیده ارائه کرد: به جای در نظر گرفتن ایده پیچیده ذرات با تعامل قوی، چرا به جای آن به برانگیختگی های سیستم فکر نکنیم؟

توضیح می‌دهد: «اگر این برانگیختگی‌ها موضعی باشند و به ندرت با یکدیگر برخورد کنند، می‌توانیم آنها را به‌عنوان «ذرات مؤثر» یا شبه ذرات ضعیف در نظر بگیریم. تسوی تلوستی از موسسه علوم پایه (IBS) در کره، که این مطالعه جدید را رهبری کرد. پیشرفت مفهومی لاندو در تحقیقات ماده کوانتومی بسیار مفید بوده است و بینشی در مورد بسیاری از پدیده‌های نوظهور مانند جفت شدن الکترون در ابررسانایی و ابرسیالیت و اخیراً جریان الکترون در گرافن ارائه می‌کند.

برخورد خیلی زیاد

تا به حال، شبه ذرات فقط به عنوان اجسام مکانیکی کوانتومی در نظر گرفته می شدند. در ماده متراکم کلاسیک، نرخ برخورد برانگیختگی‌ها معمولاً بسیار زیاد است که امکان تحریکات ذره‌مانند طولانی‌مدت را فراهم نمی‌کند. Tlusty می‌گوید: «یافته‌های ما موفقیت‌آمیز هستند، زیرا برخلاف این الگو، «شبه ذرات دیراک» را در یک سیستم هیدرودینامیکی کلاسیک مشاهده کردیم. دنیای فیزیک.

در کار جدید، تولوستی به همراه همکار هیوک کیو پاک و دانشجوی عمران سعید مجموعه‌ای از ریزذرات را که توسط جریان آب در یک کانال میکروسیال بسیار نازک هدایت می‌شوند را مطالعه کردند. محققان دریافتند که حرکت ذرات، جریان آب اطراف آنها را مختل می کند. بنابراین ذرات نیروهای هیدرودینامیکی را به یکدیگر القا می کنند.

ذرات "ضد نیوتنی".

تولستی توضیح می‌دهد: «به طور خاص، نیروهای بین دو ذره «ضد نیوتنی» هستند - یعنی بر خلاف قانون نیوتن، که می‌گوید نیروهای متقابل باید در مقابل یکدیگر قرار گیرند، از نظر قدر و جهت برابر هستند. "پیامد فوری این تقارن، ظهور جفت های پایداری است که با سرعت یکسان در کنار هم جریان دارند."

نتیجه نشان می دهد که این جفت ها شبه ذرات کلاسیک یا برانگیختگی های طولانی مدت در سیستم هیدرودینامیکی هستند. محققان با تجزیه و تحلیل ارتعاشات (یا فونون ها) در کریستال های دو بعدی هیدرودینامیکی حاوی آرایه تناوبی از هزاران ذره، فرضیه خود را تأیید کردند. آنها دریافتند که فونون ها "مخروط دیراک" را نشان می دهند، بسیار شبیه به آنچه در گرافن (ورقه ای از کربن با ضخامت تنها یک اتم) مشاهده می شود که در آن جفت ذرات ظاهر می شوند.

مخروط های دیراک ویژگی های کوانتومی در ساختار نوار الکترونیکی یک ماده دو بعدی هستند که در آن نوارهای رسانایی و ظرفیت در یک نقطه در سطح فرمی به هم می رسند. نوارها به صورت خطی به این نقطه نزدیک می شوند، به این معنی که انرژی جنبشی موثر الکترون های رسانا (و حفره ها) مستقیماً با ممان آن ها متناسب است. این رابطه غیرعادی معمولاً فقط برای فوتون‌ها دیده می‌شود که بدون جرم هستند، زیرا انرژی الکترون‌ها و سایر ذرات ماده در سرعت‌های غیر نسبیتی معمولاً به مجذور گشتاور آنها بستگی دارد. نتیجه این است که الکترون‌های مخروط دیراک به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که گویی ذرات نسبیتی بدون جرم سکون هستند و با سرعت‌های بسیار بالا در ماده حرکت می‌کنند.

نوارهای مسطح با همبستگی قوی

تیم IBS همچنین "باندهای مسطح" را مشاهده کردند - پدیده کوانتومی دیگری که در آن طیف انرژی الکترون حاوی فونون‌های بسیار کندی است که به شدت با هم مرتبط هستند. نوارهای مسطح اخیراً در دو لایه گرافن که نسبت به یکدیگر در یک زاویه خاص پیچ خورده اند، کشف شده است. این نوارها حالت های الکترونی هستند که در آنها هیچ رابطه ای بین انرژی و سرعت الکترون ها وجود ندارد و به ویژه برای فیزیکدانان جالب هستند زیرا الکترون ها در آنها "بدون پراکندگی" می شوند - یعنی انرژی جنبشی آنها سرکوب می شود. همانطور که الکترون ها تقریباً تا حد توقف کند می شوند، جرم مؤثر آنها به بی نهایت نزدیک می شود که منجر به پدیده های توپولوژیکی عجیب و غریب و همچنین حالت های همبستگی شدید ماده مرتبط با ابررسانایی در دمای بالا، مغناطیس و سایر خواص کوانتومی جامدات می شود.

Tlusty می‌گوید: «نتایج ما نشان می‌دهد که پدیده‌های جمعی نوظهور - مانند شبه ذرات و نوارهای مسطح قوی همبستگی - که تاکنون تصور می‌شد محدود به سیستم‌های کوانتومی هستند، ممکن است در تنظیمات کلاسیک مانند سیستم‌های شیمیایی و حتی ماده زنده مشاهده شوند.» «شاید این پدیده‌ها بسیار رایج‌تر از آن چیزی باشند که قبلاً متوجه شده بودیم.»

شبه ذره نیمه سبک و نیمه ماده در آهنربای واندروالس ظاهر می شود

او اضافه می کند که چنین پدیده هایی ممکن است به توضیح فرآیندهای پیچیده مختلف در سیستم های کلاسیک نیز کمک کنند. «در این کار به تفصیل در فیزیک طبیعت، انتقال ذوب غیرتعادلی در کریستال هیدرودینامیکی را که مورد مطالعه قرار دادیم به عنوان نتیجه "بهمن های شبه ذره" توضیح می دهیم. اینها زمانی اتفاق می‌افتند که جفت‌های شبه ذرات که از طریق کریستال منتشر می‌شوند، ایجاد جفت‌های دیگر را از طریق یک واکنش زنجیره‌ای تحریک می‌کنند.

جفت‌های شبه ذرات سریع‌تر از سرعت فونون‌ها حرکت می‌کنند و بنابراین هر جفت، بهمنی از جفت‌های تازه تشکیل‌شده را پشت سر می‌گذارند - به جای مخروط ماخ که در پشت هواپیمای جت مافوق صوت ایجاد می‌شود. در نهایت، تمام آن جفت ها با یکدیگر برخورد می کنند که در نهایت منجر به ذوب کریستال می شود.

محققان می گویند که باید نمونه های بیشتری از پدیده های کوانتومی در دیگر سیستم های کلاسیک وجود داشته باشد. Tlusty می گوید: «من احساس می کنم که یافته های ما فقط نوک کوه یخ است. آشکارسازی چنین پدیده‌هایی ممکن است در پیشبرد درک حالت‌های نوظهور و انتقال فاز بسیار مفید باشد.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• پلاتوبلاک چین. Web3 Metaverse Intelligence. دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/