Des quasiparticules apparaissent dans un cadre classique, surprenant les physiciens

Des chercheurs ont observé pour la première fois des quasiparticules dans un système classique à température ambiante, remettant en question l'idée que les quasiparticules ne peuvent exister que dans la matière quantique. La découverte, faite dans un mince canal fluidique contenant des microparticules fluides, suggère que les concepts de base de la physique de la matière quantique pourraient être applicables aux paramètres classiques.

Les particules de nombreux solides et liquides se trouvent très proches les unes des autres et interagissent donc fortement. Cela rend ces systèmes « à plusieurs corps », comme on les appelle, difficiles à étudier et à comprendre. En 1941, le physicien soviétique Lev Landau proposa une solution à cette situation complexe : au lieu de considérer l’idée complexe de particules en interaction forte, pourquoi ne pas plutôt réfléchir aux excitations du système ?

"Si ces excitations sont localisées et se heurtent rarement les unes aux autres, nous pouvons les considérer comme des" particules efficaces "ou des quasi-particules à faible interaction", explique Tsvi Tusty de l'Institute for Basic Science (IBS) en Corée, qui a dirigé la nouvelle étude. "La percée conceptuelle de Landau a été extrêmement utile dans la recherche sur la matière quantique, fournissant un aperçu de nombreux phénomènes émergents, tels que l'appariement d'électrons dans la supraconductivité et la superfluidité, et récemment le flux d'électrons dans le graphène."

Trop de collisions

Jusqu'à présent, les quasi-particules n'étaient considérées que comme des objets de mécanique quantique. Dans la matière condensée classique, le taux de collision des excitations est généralement beaucoup trop élevé pour permettre des excitations de type particule à longue durée de vie. "Nos découvertes sont une percée car, contrairement à ce paradigme, nous avons observé des" quasiparticules de Dirac "dans un système hydrodynamique classique", a déclaré Tlusty. Monde de la physique.

Dans le nouveau travail, Tlusty avec son collègue Hyuk Kyu Pak et l'étudiant Imran Saeed a étudié des ensembles de microparticules entraînées par l'écoulement de l'eau dans un canal microfluidique très fin. Les chercheurs ont découvert que le mouvement des particules perturbe les courants d'eau qui les entourent. Les particules induisent ainsi des forces hydrodynamiques les unes sur les autres.

Particules "anti-newtoniennes"

"Singulièrement, les forces entre deux particules sont" anti-newtoniennes "- c'est-à-dire qu'elles sont égales en amplitude et en direction contrairement à la loi de Newton, qui stipule que les forces mutuelles doivent s'opposer", explique Tlusty. "La conséquence immédiate de cette symétrie est l'émergence de paires stables qui coulent ensemble à la même vitesse."

Le résultat implique que les paires sont des quasiparticules classiques, ou des excitations à longue durée de vie dans le système hydrodynamique. Les chercheurs ont confirmé leur hypothèse en analysant les vibrations (ou phonons) dans des cristaux bidimensionnels hydrodynamiques contenant un réseau périodique de milliers de particules. Ils ont découvert que les phonons présentent des "cônes de Dirac", un peu comme ceux observés dans le graphène (une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur) dans lesquels émergent des paires de particules.

Les cônes de Dirac sont des caractéristiques quantiques dans la structure de bande électronique d'un matériau 2D où les bandes de conduction et de valence se rencontrent en un seul point au niveau de Fermi. Les bandes s'approchent de ce point de manière linéaire, ce qui signifie que les énergies cinétiques effectives des électrons de conduction (et des trous) sont directement proportionnelles à leurs impulsions. Cette relation inhabituelle n'est normalement observée que pour les photons, qui sont sans masse, car les énergies des électrons et des autres particules de matière à des vitesses non relativistes dépendent généralement du carré de leur impulsion. Le résultat est que les électrons dans les cônes de Dirac se comportent comme s'ils étaient des particules relativistes sans masse au repos, voyageant à travers le matériau à des vitesses extrêmement élevées.

Bandes plates fortement corrélées

L’équipe IBS a également observé des « bandes plates » – un autre phénomène quantique dans lequel le spectre énergétique des électrons contient des phonons ultra-lents extrêmement fortement corrélés. Des bandes plates ont récemment été découvertes dans des bicouches de graphène tordues les unes par rapport aux autres selon un certain angle. Ces bandes sont des états électroniques dans lesquels il n'y a aucune relation entre l'énergie et la vitesse des électrons et elles sont particulièrement intéressantes pour les physiciens car les électrons y deviennent « sans dispersion », c'est-à-dire que leur énergie cinétique est supprimée. À mesure que les électrons ralentissent presque jusqu'à l'arrêt, leur masse effective se rapproche de l'infini, conduisant à des phénomènes topologiques exotiques ainsi qu'à des états de matière fortement corrélés associés à la supraconductivité à haute température, au magnétisme et à d'autres propriétés quantiques des solides.

"Nos résultats suggèrent que des phénomènes collectifs émergents - comme les quasiparticules et les bandes plates fortement corrélées - que l'on pensait jusqu'à présent limités aux systèmes quantiques peuvent être observés dans des contextes classiques, tels que les systèmes chimiques et même la matière vivante", explique Tlusty. "Peut-être que ces phénomènes sont beaucoup plus courants que nous ne le pensions auparavant."

Une quasi-particule mi-lumière mi-matière apparaît dans un aimant de van der Waals

De tels phénomènes peuvent également aider à expliquer divers processus complexes dans les systèmes classiques, ajoute-t-il. « Dans cet ouvrage, détaillé dans Physique de la nature, nous expliquons la transition de fusion hors d'équilibre dans le cristal hydrodynamique que nous avons étudié comme étant le résultat d'« avalanches de quasi-particules ». Celles-ci se produisent lorsque les paires de quasi-particules se propageant à travers le cristal stimulent la création d'autres paires par une réaction en chaîne.

« Les paires de quasiparticules voyagent plus vite que la vitesse des phonons et ainsi chaque paire laisse derrière elle une avalanche de paires nouvellement formées – un peu comme le cône de Mach généré derrière un avion à réaction supersonique. Finalement, toutes ces paires entrent en collision les unes avec les autres, ce qui conduit finalement à la fonte des cristaux.

Les chercheurs disent qu'il devrait y avoir beaucoup plus d'exemples de phénomènes de type quantique dans d'autres systèmes classiques. "Je pense que nos découvertes ne sont que la pointe de l'iceberg", déclare Tlusty. "Révéler de tels phénomènes peut être très utile pour faire progresser la compréhension des modes émergents et des transitions de phase."

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