A kvázirészecskék klasszikus környezetben jelennek meg, meglepve a fizikusokat

A kutatók először figyeltek meg kvázirészecskéket klasszikus rendszerben szobahőmérsékleten, megkérdőjelezve azt a nézetet, hogy kvázirészecskék csak kvantumanyagban létezhetnek. Az áramló mikrorészecskéket tartalmazó vékony folyadékcsatornában végzett felfedezés azt sugallja, hogy a kvantumanyagfizika alapfogalmai alkalmazhatók lehetnek a klasszikus körülmények között is.

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?

"Ha ezek a gerjesztések lokalizáltak és ritkán ütköznek egymással, akkor gyengén kölcsönható "hatásos részecskéknek" vagy kvázirészecskéknek tekinthetjük őket" - magyarázza. Tsvi Tlusty a koreai Institute for Basic Science (IBS) munkatársa, aki az új tanulmányt vezette. "Landau koncepcionális áttörése rendkívül hasznos volt a kvantumanyag-kutatásban, betekintést engedve számos olyan felbukkanó jelenségbe, mint például az elektronpárosítás a szupravezetésben és a szuperfluiditásban, valamint a közelmúltban a grafén elektronáramlása."

Túl sok ütközés

Eddig a kvázirészecskéket csak kvantummechanikai objektumoknak tekintették. A klasszikus kondenzált anyagban a gerjesztések ütközési aránya jellemzően túl magas ahhoz, hogy lehetővé tegye a hosszú élettartamú részecskeszerű gerjesztést. „Eredményeink áttörést jelentenek, mivel ezzel a paradigmával ellentétben „Dirac-kvázirészecskéket” figyeltünk meg egy klasszikus hidrodinamikai rendszerben” – mondja Tlusty. Fizika Világa.

Az új munkában Tlusty kollégájával együtt Hyuk Kyu Pak Imran Saeed diák pedig a vízáramlás által hajtott mikrorészecskék együtteseit tanulmányozta egy nagyon vékony mikrofluidikus csatornában. A kutatók azt találták, hogy a részecskék mozgása megzavarja az őket körülvevő vízáramlás áramvonalait. A részecskék így hidrodinamikai erőket indukálnak egymásra.

„Anti-newtoni” részecskék

„Két részecske közötti erők sajátos módon „anti-newtoniak”, vagyis nagyságukban és irányukban egyenlők, ellentétben Newton törvényével, amely kimondja, hogy a kölcsönös erőknek szembe kell állniuk egymással” – magyarázza Tlusty. "Ennek a szimmetriának a közvetlen következménye az, hogy stabil párok jönnek létre, amelyek azonos sebességgel áramlanak össze."

Az eredmény arra utal, hogy a párok klasszikus kvázirészecskék, vagy hosszú élettartamú gerjesztések a hidrodinamikai rendszerben. A kutatók megerősítették hipotézisüket több ezer részecskékből álló periodikus tömböt tartalmazó hidrodinamikus kétdimenziós kristályok rezgésének (vagy fononjainak) elemzésével. Azt találták, hogy a fononok „Dirac-kúpokat” mutatnak, hasonlóan a grafénben megfigyeltekhez (egy atom vastagságú szénréteg), amelyekben részecskepárok bukkannak fel.

A Dirac-kúpok kvantumjellemzők egy 2D-s anyag elektronikus sávszerkezetében, ahol a vezetési és vegyértéksávok egyetlen pontban találkoznak a Fermi-szinten. A sávok ezt a pontot lineárisan közelítik meg, ami azt jelenti, hogy a vezetési elektronok (és a lyukak) effektív kinetikai energiái egyenesen arányosak nyomatékukkal. Ez a szokatlan összefüggés általában csak a tömegnélküli fotonoknál figyelhető meg, mivel az elektronok és más anyagrészecskék energiája nem relativisztikus sebességgel általában a momentum négyzetétől függ. Az eredmény az, hogy a Dirac-kúpokban lévő elektronok úgy viselkednek, mintha nyugalmi tömeg nélküli relativisztikus részecskék lennének, amelyek rendkívül nagy sebességgel haladnak át az anyagon.

Erősen korrelált lapos sávok

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.

„Eredményeink azt sugallják, hogy a kialakuló kollektív jelenségek – mint például a kvázirészecskék és az erősen korrelált lapos sávok –, amelyekről eddig azt hitték, hogy kvantumrendszerekre korlátozódnak, megfigyelhetők klasszikus környezetben, például kémiai rendszerekben, sőt élő anyagokban is” – mondja Tlusty. „Talán ezek a jelenségek sokkal gyakoribbak, mint ahogy korábban rájöttünk.”

Félig könnyű, félig anyag kvázirészecske jelenik meg egy van der Waals mágnesben

Az ilyen jelenségek segíthetnek megmagyarázni a klasszikus rendszerek különféle összetett folyamatait is – teszi hozzá. „Ebben a munkában, részletezve Természetfizika, az általunk vizsgált hidrodinamikus kristály nem egyensúlyi olvadási átmenetét „kvázirészecske lavinák” eredményeként magyarázzuk. Ezek akkor fordulnak elő, amikor a kristályon keresztül terjedő kvázirészecske-párok láncreakcióval serkentik más párok létrejöttét.

„A kvázirészecske-párok gyorsabban haladnak, mint a fononok, így minden pár újonnan kialakult párok lavináját hagyja maga után – mint a szuperszonikus sugárhajtású repülőgép mögött generált Mach-kúp. Végül ezek a párok ütköznek egymással, ami végül a kristály megolvadásához vezet.

A kutatók szerint sokkal több példát kellene találni a kvantumszerű jelenségekre más klasszikus rendszerekben. „Úgy érzem, hogy eredményeink csak a jéghegy csúcsát jelentik” – mondja Tlusty. "Az ilyen jelenségek feltárása nagyon hasznos lehet a kialakuló módok és fázisátalakulások megértésének elősegítésében."

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/