Kvasihiukkaset esiintyvät klassisessa ympäristössä, yllättävät fyysikot

Tutkijat ovat havainneet kvasihiukkasia klassisessa järjestelmässä huoneenlämmössä ensimmäistä kertaa, mikä kyseenalaistaa näkemyksen, jonka mukaan kvasipartikkeleita voi esiintyä vain kvanttiaineessa. Ohuessa virtaavia mikropartikkeleita sisältävässä nestekanavassa tehty löytö viittaa siihen, että kvanttiaineen fysiikan peruskäsitteet saattavat soveltua klassisiin ympäristöihin.

Monien kiinteiden aineiden ja nesteiden hiukkaset ovat hyvin lähellä toisiaan ja ovat siksi voimakkaasti vuorovaikutuksessa. Tämä tekee sellaisista "monen kehon" järjestelmistä, kuten niitä kutsutaan, vaikeasti tutkita ja ymmärtää. Neuvostoliiton fyysikko Lev Landau esitti vuonna 1941 ratkaisun tähän monimutkaiseen tilanteeseen: sen sijaan, että pohtisi monimutkaista ajatusta vahvasti vuorovaikutuksessa olevista hiukkasista, miksi ei sen sijaan ajatella järjestelmän viritystekijöitä?

"Jos nämä herätteet ovat paikallisia ja törmäävät harvoin toisiinsa, voimme pitää niitä heikosti vuorovaikutteisina "tehokkaina hiukkasina" tai kvasihiukkasina", selittää. Tsvi Tlusty Korean perustieteiden instituutista (IBS), joka johti uutta tutkimusta. "Landaun käsitteellinen läpimurto on ollut äärimmäisen hyödyllinen kvanttiaineen tutkimuksessa, koska se tarjoaa käsityksen monista esiin tulevista ilmiöistä, kuten suprajohtavuuden ja superfluiditeetin elektronien pariutumisesta ja viime aikoina grafeenin elektronivirrasta."

Liian monta törmäystä

Tähän asti kvasihiukkasia on pidetty vain kvanttimekaanisina esineinä. Klassisessa kondensoituneessa aineessa viritteiden törmäysnopeus on tyypillisesti aivan liian korkea salliakseen pitkäikäisiä hiukkasmaisia ​​viritteitä. "Löydöksemme ovat läpimurto, koska toisin kuin tämä paradigma, havaitsimme "Dirac-kvasihiukkasia" klassisessa hydrodynaamisessa järjestelmässä", Tlusty kertoo. Fysiikan maailma.

Uudessa työssä Tlusty yhdessä kollegan kanssa Hyuk Kyu Pak ja opiskelija Imran Saeed tutkivat mikrohiukkasten ryhmiä, joita vesivirtaus ohjaa erittäin ohuessa mikrofluidikanavassa. Tutkijat havaitsivat, että hiukkasten liike häiritsee niitä ympäröivän vesivirran virtaviivauksia. Hiukkaset aiheuttavat siten hydrodynaamisia voimia toisiinsa.

"Anti-newtonilaisia" hiukkasia

"Kahden hiukkasen väliset voimat ovat erikoisesti "anti-newtonilaisia" eli ne ovat suuruudeltaan ja suunnaltaan yhtä suuria, toisin kuin Newtonin laki, jonka mukaan keskinäisten voimien tulee olla vastakkaisia ​​toisiaan", Tlusty selittää. "Tämän symmetrian välitön seuraus on stabiilien parien syntyminen, jotka virtaavat yhdessä samalla nopeudella."

Tulos viittaa siihen, että parit ovat klassisia kvasihiukkasia tai pitkäikäisiä viritteitä hydrodynaamisessa järjestelmässä. Tutkijat vahvistivat hypoteesinsa analysoimalla värähtelyjä (tai fononeja) hydrodynaamisissa kaksiulotteisissa kiteissä, jotka sisältävät jaksollisen tuhansien hiukkasten joukon. He havaitsivat, että fononeissa on "Dirac-kartioita", aivan kuten grafeenissa (vain yhden atomin paksuinen hiililevy), josta ilmaantuu hiukkaspareja.

Dirac-kartiot ovat kvanttiominaisuuksia 2D-materiaalin elektronisessa kaistarakenteessa, jossa johtavuus- ja valenssikaistat kohtaavat yhdessä pisteessä Fermi-tasolla. Nauhat lähestyvät tätä kohtaa lineaarisesti, mikä tarkoittaa, että johtumiselektronien (ja reikien) teholliset kineettiset energiat ovat suoraan verrannollisia niiden momenttiin. Tämä epätavallinen suhde näkyy tavallisesti vain fotoneilla, jotka ovat massattomia, koska elektronien ja muiden ainehiukkasten energiat ei-relativistisilla nopeuksilla riippuvat yleensä niiden momentin neliöstä. Tuloksena on, että Dirac-kartioiden elektronit käyttäytyvät ikään kuin ne olisivat relativistisia hiukkasia, joilla ei ole lepomassaa ja jotka kulkevat materiaalin läpi erittäin suurilla nopeuksilla.

Vahvasti korreloivat litteät nauhat

IBS-tiimi havaitsi myös "litteitä vyöhykkeitä" - toista kvanttiilmiötä, jossa elektronien energiaspektri sisältää erittäin hitaita fononeja, jotka korreloivat erittäin voimakkaasti. Litteät nauhat löydettiin äskettäin grafeenikaksoiskerroksista, jotka oli kierretty suhteessa toisiinsa tietyssä kulmassa. Nämä vyöhykkeet ovat elektronitiloja, joissa elektronien energian ja nopeuden välillä ei ole suhdetta ja ne ovat erityisen mielenkiintoisia fyysikoiden kannalta, koska elektronit muuttuvat niissä "dispersioimattomiksi" eli niiden liike-energia vaimenee. Elektronien hidastuessa lähes pysähdyksiin, niiden tehollinen massa lähestyy ääretöntä, mikä johtaa eksoottisiin topologisiin ilmiöihin sekä voimakkaasti korreloiviin ainetiloihin, jotka liittyvät korkean lämpötilan suprajohtavuuteen, magnetismiin ja muihin kiinteiden aineiden kvanttiominaisuuksiin.

"Tuloksemme viittaavat siihen, että esiin tulevia kollektiivisia ilmiöitä - kuten kvasihiukkasia ja vahvasti korreloituneita litteitä vyöhykkeitä - joiden tähän mennessä uskottiin rajoittuvan kvanttijärjestelmiin, voidaan havaita klassisissa ympäristöissä, kuten kemiallisissa järjestelmissä ja jopa elävässä aineessa", Tlusty sanoo. "Ehkä nämä ilmiöt ovat paljon yleisempiä kuin tajusimme aiemmin."

Puoliksi kevyt, puoliksi aineellinen kvasihiukkanen ilmestyy van der Waals -magneetissa

Tällaiset ilmiöt voivat auttaa selittämään erilaisia ​​monimutkaisia ​​prosesseja myös klassisissa järjestelmissä, hän lisää. "Tässä työssä on kuvattu yksityiskohtaisesti Luontofysiikka, selitämme tutkimamme hydrodynaamisen kiteen epätasapainoisen sulamissiirtymän olevan seurausta "kvasihiukkaslumivyöryistä". Näitä esiintyy, kun kiteen läpi etenevät kvasihiukkasparit stimuloivat muiden parien muodostumista ketjureaktion kautta.

"Kvasihiukkasparit kulkevat nopeammin kuin fononien nopeus ja siten jokainen pari jättää jälkeensä lumivyöryn vasta muodostuneita pareja - pikemminkin kuin Mach-kartio, joka syntyy yliäänisen suihkukoneen takana. Lopulta kaikki nuo parit törmäävät toisiinsa, mikä lopulta johtaa kiteen sulamiseen."

Tutkijat sanovat, että muissa klassisissa järjestelmissä pitäisi olla paljon enemmän esimerkkejä kvantin kaltaisista ilmiöistä. "Minusta tuntuu, että löydömme ovat vain jäävuoren huippu", Tlusty sanoo. "Tällaisten ilmiöiden paljastaminen voi olla erittäin hyödyllistä edistettäessä ilmaantuvien moodien ja vaihesiirtymien ymmärtämistä."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/