Partikel kuasi muncul dalam latar klasik, mengejutkan fisikawan

Para peneliti telah mengamati partikel kuasi dalam sistem klasik pada suhu kamar untuk pertama kalinya, menantang pandangan bahwa partikel kuasi hanya dapat ada dalam materi kuantum. Penemuan, dibuat dalam saluran fluida tipis yang mengandung mikropartikel yang mengalir, menunjukkan bahwa konsep dasar fisika materi kuantum mungkin dapat diterapkan pada pengaturan klasik.

Partikel-partikel dalam banyak zat padat dan cair menemukan diri mereka sangat dekat satu sama lain dan karena itu berinteraksi dengan kuat. Hal ini membuat sistem “banyak-tubuh”, demikian sebutannya, sulit untuk dipelajari dan dipahami. Pada tahun 1941 fisikawan Soviet Lev Landau mengajukan solusi untuk situasi rumit ini: alih-alih mempertimbangkan gagasan kompleks tentang partikel yang berinteraksi kuat, mengapa tidak memikirkan tentang eksitasi sistem?

"Jika eksitasi ini terlokalisasi dan jarang bertabrakan satu sama lain, kita dapat menganggapnya sebagai 'partikel efektif' yang berinteraksi lemah, atau kuasipartikel," jelas Tsvi Tlusty dari Institute for Basic Science (IBS) di Korea, yang memimpin studi baru tersebut. “Terobosan konseptual Landau sangat berguna dalam penelitian materi kuantum, memberikan wawasan tentang banyak fenomena yang muncul, seperti pasangan elektron dalam superkonduktivitas dan superfluiditas, dan baru-baru ini aliran elektron dalam graphene.”

Terlalu banyak tabrakan

Hingga saat ini, partikel semu hanya dianggap sebagai objek mekanika kuantum. Dalam materi terkondensasi klasik, tingkat tumbukan eksitasi biasanya terlalu tinggi untuk memungkinkan eksitasi seperti partikel berumur panjang. “Temuan kami merupakan terobosan karena, berbeda dengan paradigma ini, kami mengamati 'quasipartikel Dirac' dalam sistem hidrodinamika klasik,” kata Tlusty. Dunia Fisika.

Di karya barunya, Trusty bersama rekannya Hyuk Kyu Pak dan siswa Imran Saeed mempelajari ansambel mikropartikel yang digerakkan oleh aliran air dalam saluran mikofluida yang sangat tipis. Para peneliti menemukan bahwa gerakan partikel mengganggu arus aliran air yang mengelilinginya. Partikel-partikel dengan demikian menginduksi gaya hidrodinamik satu sama lain.

Partikel "Anti-Newtonian".

“Anehnya, gaya antara dua partikel adalah 'anti-Newtonian' – yaitu, besarnya dan arahnya sama, berbeda dengan hukum Newton, yang menyatakan bahwa gaya timbal balik harus saling berlawanan,” jelas Tlusty. “Konsekuensi langsung dari kesimetrian ini adalah munculnya pasangan stabil yang mengalir bersama dengan kecepatan yang sama.”

Hasilnya menyiratkan bahwa pasangan tersebut adalah partikel kuasi klasik, atau eksitasi berumur panjang dalam sistem hidrodinamik. Para peneliti mengkonfirmasi hipotesis mereka dengan menganalisis getaran (atau fonon) dalam kristal dua dimensi hidrodinamik yang mengandung susunan ribuan partikel secara periodik. Mereka menemukan bahwa fonon menunjukkan "kerucut Dirac", seperti yang diamati pada graphene (lembaran karbon setebal satu atom) di mana pasangan partikel muncul.

Kerucut Dirac adalah fitur kuantum dalam struktur pita elektronik dari bahan 2D di mana pita konduksi dan valensi bertemu di satu titik pada tingkat Fermi. Pita mendekati titik ini secara linier, yang berarti bahwa energi kinetik efektif elektron konduksi (dan lubang) berbanding lurus dengan momentumnya. Hubungan yang tidak biasa ini biasanya hanya terlihat pada foton, yang tidak bermassa, karena energi elektron dan partikel materi lainnya pada kecepatan non-relativistik biasanya bergantung pada kuadrat momentumnya. Hasilnya adalah elektron dalam kerucut Dirac berperilaku seolah-olah mereka adalah partikel relativistik tanpa massa diam, bergerak melalui materi dengan kecepatan sangat tinggi.

Band datar berkorelasi kuat

Tim IBS juga mengamati “pita datar” – fenomena kuantum lain di mana spektrum energi elektron mengandung fonon ultra-lambat yang berkorelasi sangat kuat. Pita datar baru-baru ini ditemukan dalam lapisan ganda graphene yang dipelintir satu sama lain pada sudut tertentu. Pita ini adalah keadaan elektron di mana tidak ada hubungan antara energi dan kecepatan elektron dan sangat menarik bagi fisikawan karena elektron menjadi "tidak menyebar" di dalamnya – artinya, energi kinetiknya ditekan. Ketika elektron melambat hampir berhenti, massa efektifnya mendekati tak terhingga, yang mengarah ke fenomena topologi eksotis serta keadaan materi yang sangat berkorelasi yang terkait dengan superkonduktivitas suhu tinggi, magnetisme, dan sifat kuantum benda padat lainnya.

“Hasil kami menunjukkan bahwa fenomena kolektif yang muncul – seperti kuasipartikel dan pita datar berkorelasi kuat – yang sejauh ini dianggap terbatas pada sistem kuantum dapat diamati dalam pengaturan klasik, seperti sistem kimia dan bahkan materi hidup,” kata Tlusty. “Mungkin fenomena ini jauh lebih umum dari yang kita sadari sebelumnya.”

Kuasipartikel setengah cahaya, setengah materi muncul dalam magnet van der Waals

Fenomena semacam itu juga dapat membantu menjelaskan berbagai proses kompleks dalam sistem klasik, tambahnya. “Dalam karya ini, dirinci dalam Fisika Alam, kami menjelaskan transisi peleburan non-kesetimbangan dalam kristal hidrodinamik yang kami pelajari sebagai hasil dari 'longsoran kuasipartikel'. Ini terjadi ketika pasangan partikel semu menyebar melalui kristal merangsang pembentukan pasangan lain melalui reaksi berantai.

“Pasangan kuasipartikel bergerak lebih cepat daripada kecepatan fonon dan dengan demikian setiap pasangan meninggalkan longsoran pasangan yang baru terbentuk – mirip seperti kerucut Mach yang dihasilkan di belakang pesawat jet supersonik. Akhirnya, semua pasangan itu bertabrakan satu sama lain, yang akhirnya menyebabkan peleburan kristal.”

Para peneliti mengatakan seharusnya ada lebih banyak contoh fenomena mirip kuantum dalam sistem klasik lainnya. “Saya merasa temuan kami hanyalah puncak gunung es,” kata Tlusty. “Mengungkap fenomena seperti itu mungkin sangat berguna dalam memajukan pemahaman tentang mode yang muncul dan transisi fase.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/