क्वासिपार्टिकल्स शास्त्रीय सेटिंग में दिखाई देते हैं, भौतिकविदों को आश्चर्यचकित करते हैं

शोधकर्ताओं ने पहली बार कमरे के तापमान पर एक शास्त्रीय प्रणाली में क्वासिपार्टिकल्स को देखा है, जिससे इस दृष्टिकोण को चुनौती मिलती है कि क्वासिपार्टिकल्स केवल क्वांटम पदार्थ में ही मौजूद हो सकते हैं। बहते हुए सूक्ष्म कणों वाले पतले तरल चैनल में की गई खोज से पता चलता है कि क्वांटम पदार्थ भौतिकी की बुनियादी अवधारणाएँ शास्त्रीय सेटिंग्स पर लागू हो सकती हैं।

The particles in many solids and liquids find themselves very close to each other and therefore strongly interact. This makes such “many-body” systems, as they are called, difficult to study and understand. In 1941 the Soviet physicist Lev Landau put forward a solution to this complicated situation: instead of considering the complex idea of strongly interacting particles, why not instead think instead about the excitations of the system?

"यदि ये उत्तेजनाएं स्थानीयकृत हैं और शायद ही कभी एक-दूसरे से टकराती हैं, तो हम उन्हें कमजोर रूप से बातचीत करने वाले 'प्रभावी कणों' या क्वासिपार्टिकल्स के रूप में मान सकते हैं," बताते हैं त्सवी टलस्टी कोरिया में इंस्टीट्यूट फॉर बेसिक साइंस (आईबीएस) के, जिन्होंने नए अध्ययन का नेतृत्व किया। "लैंडौ की वैचारिक सफलता क्वांटम पदार्थ अनुसंधान में बेहद उपयोगी रही है, जो कई उभरती घटनाओं में अंतर्दृष्टि प्रदान करती है, जैसे कि सुपरकंडक्टिविटी और सुपरफ्लुइडिटी में इलेक्ट्रॉन-युग्मन, और हाल ही में ग्राफीन में इलेक्ट्रॉन प्रवाह।"

बहुत ज्यादा टकराव

अब तक, क्वासिपार्टिकल्स को केवल क्वांटम-मैकेनिकल ऑब्जेक्ट माना जाता रहा है। शास्त्रीय संघनित पदार्थ में, लंबे समय तक रहने वाले कण-जैसे उत्तेजनाओं की अनुमति देने के लिए उत्तेजनाओं की टकराव दर आम तौर पर बहुत अधिक होती है। "हमारे निष्कर्ष एक सफलता हैं क्योंकि, इस प्रतिमान के विपरीत, हमने एक शास्त्रीय हाइड्रोडायनामिक प्रणाली में 'डिराक क्वासिपार्टिकल्स' का अवलोकन किया," ट्लस्टी बताते हैं भौतिकी की दुनिया.

नए काम में सहकर्मी के साथ मिलकर काम किया ह्युक क्यू पाक और छात्र इमरान सईद ने बहुत पतले माइक्रोफ्लुइडिक चैनल में जल प्रवाह द्वारा संचालित सूक्ष्म कणों के समूह का अध्ययन किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि कणों की गति उनके आसपास के जल प्रवाह की धारा रेखाओं को बाधित करती है। इस प्रकार कण एक दूसरे पर हाइड्रोडायनामिक बल उत्पन्न करते हैं।

"एंटी-न्यूटोनियन" कण

"विशेष रूप से, दो कणों के बीच बल 'न्यूटोनियन-विरोधी' हैं - यानी, वे न्यूटन के नियम के विपरीत परिमाण और दिशा में बराबर हैं, जो बताता है कि पारस्परिक बलों को एक-दूसरे का विरोध करना चाहिए," ट्लस्टी बताते हैं। "इस समरूपता का तत्काल परिणाम स्थिर जोड़ों का उद्भव है जो एक ही वेग से एक साथ बहते हैं।"

परिणाम का तात्पर्य है कि जोड़े शास्त्रीय क्वासिपार्टिकल्स, या हाइड्रोडायनामिक प्रणाली में लंबे समय तक रहने वाले उत्तेजना हैं। शोधकर्ताओं ने हजारों कणों की आवधिक श्रृंखला वाले हाइड्रोडायनामिक द्वि-आयामी क्रिस्टल में कंपन (या फोनन) का विश्लेषण करके अपनी परिकल्पना की पुष्टि की। उन्होंने पाया कि फोनन "डिराक शंकु" प्रदर्शित करते हैं, जो ग्राफीन (सिर्फ एक परमाणु मोटी कार्बन की एक शीट) में देखे गए समान हैं, जिसमें कणों के जोड़े निकलते हैं।

डायराक शंकु 2डी सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना में क्वांटम विशेषताएं हैं जहां चालन और वैलेंस बैंड फर्मी स्तर पर एक बिंदु पर मिलते हैं। बैंड इस बिंदु पर रैखिक तरीके से पहुंचते हैं, जिसका अर्थ है कि चालन इलेक्ट्रॉनों (और छिद्रों) की प्रभावी गतिज ऊर्जा सीधे उनके संवेग के समानुपाती होती है। यह असामान्य संबंध आम तौर पर केवल फोटॉन के लिए देखा जाता है, जो द्रव्यमान रहित होते हैं, क्योंकि गैर-सापेक्षिक वेग पर इलेक्ट्रॉनों और पदार्थ के अन्य कणों की ऊर्जा आमतौर पर उनके संवेग के वर्ग पर निर्भर करती है। इसका परिणाम यह होता है कि डिराक शंकु में इलेक्ट्रॉन ऐसे व्यवहार करते हैं मानो वे बिना किसी आराम द्रव्यमान वाले सापेक्ष कण हों, जो सामग्री के माध्यम से अत्यधिक तेज गति से यात्रा कर रहे हों।

दृढ़ता से सहसंबद्ध फ्लैट बैंड

The IBS team also observed “flat bands” – another quantum phenomenon in which the electron energy spectrum contains ultra-slow phonons that are correlated extremely strongly. Flat bands were recently discovered in bilayers of graphene twisted with respect to each other at a certain angle. These bands are electron states in which there is no relationship between the electrons’ energy and velocity and they are especially interesting for physicists because electrons become “dispersionless” in them – that is, their kinetic energy is suppressed. As the electrons slow down almost to a stop, their effective mass approaches infinity, leading to exotic topological phenomena as well as strongly correlated states of matter associated with high-temperature superconductivity, magnetism and other quantum properties of solids.

"हमारे परिणाम बताते हैं कि उभरती हुई सामूहिक घटनाएँ - जैसे क्वासिपार्टिकल्स और दृढ़ता से सहसंबद्ध फ्लैट बैंड - जिन्हें अब तक क्वांटम सिस्टम तक सीमित माना जाता था, उन्हें रासायनिक प्रणालियों और यहां तक ​​​​कि जीवित पदार्थ जैसे शास्त्रीय सेटिंग्स में देखा जा सकता है," ट्लस्टी कहते हैं। "शायद ये घटनाएं कहीं अधिक सामान्य हैं जिनका हमें पहले एहसास हुआ था।"

वैन डेर वाल्स चुंबक में अर्ध-प्रकाश, अर्ध-पदार्थ क्वासिपार्टिकल दिखाई देता है

उन्होंने आगे कहा कि इस तरह की घटनाएं शास्त्रीय प्रणालियों में विभिन्न जटिल प्रक्रियाओं को समझाने में भी मदद कर सकती हैं। “इस कार्य में, विस्तृत रूप से बताया गया है प्रकृति भौतिकी, हम हाइड्रोडायनामिक क्रिस्टल में गैर-संतुलन पिघलने के संक्रमण की व्याख्या करते हैं जिसका हमने 'क्वासिपार्टिकल हिमस्खलन' के परिणाम के रूप में अध्ययन किया है। ऐसा तब होता है जब क्वासिपार्टिकल्स के जोड़े क्रिस्टल के माध्यम से फैलते हुए एक श्रृंखला प्रतिक्रिया के माध्यम से अन्य जोड़े के निर्माण को उत्तेजित करते हैं।

“क्वासिपार्टिकल्स जोड़े फोनन की गति से भी तेज यात्रा करते हैं और इस प्रकार प्रत्येक जोड़ी नवगठित जोड़े के एक हिमस्खलन को पीछे छोड़ देती है - बल्कि एक सुपरसोनिक जेट विमान के पीछे उत्पन्न मच शंकु की तरह। अंत में, वे सभी जोड़े एक-दूसरे से टकराते हैं, जिससे अंततः क्रिस्टल पिघल जाता है।

शोधकर्ताओं का कहना है कि अन्य शास्त्रीय प्रणालियों में क्वांटम जैसी घटनाओं के कई और उदाहरण होने चाहिए। ट्लस्टी कहते हैं, "मुझे लगता है कि हमारे निष्कर्ष केवल हिमशैल का सिरा हैं।" "ऐसी घटनाओं का खुलासा उभरते तरीकों और चरण संक्रमणों की समझ को आगे बढ़ाने में बहुत उपयोगी हो सकता है।"

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