Le quasiparticelle compaiono in un ambiente classico, sorprendendo i fisici

I ricercatori hanno osservato per la prima volta le quasiparticelle in un sistema classico a temperatura ambiente, sfidando l'idea che le quasiparticelle possano esistere solo nella materia quantistica. La scoperta, effettuata in un sottile canale fluidico contenente microparticelle fluenti, suggerisce che i concetti di base della fisica quantistica della materia potrebbero essere applicabili a contesti classici.

Le particelle in molti solidi e liquidi si trovano molto vicine tra loro e quindi interagiscono fortemente. Ciò rende tali sistemi “a molti corpi”, come vengono chiamati, difficili da studiare e comprendere. Nel 1941 il fisico sovietico Lev Landau propose una soluzione a questa complicata situazione: invece di considerare l'idea complessa di particelle fortemente interagenti, perché non pensare invece alle eccitazioni del sistema?

"Se queste eccitazioni sono localizzate e raramente si scontrano tra loro, possiamo considerarle come 'particelle effettive' debolmente interagenti, o quasiparticelle", spiega Tsvi Tlusty dell'Institute for Basic Science (IBS) in Corea, che ha condotto il nuovo studio. "La svolta concettuale di Landau è stata immensamente utile nella ricerca sulla materia quantistica, fornendo informazioni su molti fenomeni emergenti, come l'accoppiamento di elettroni nella superconduttività e nella superfluidità, e recentemente il flusso di elettroni nel grafene".

Troppe collisioni

Fino ad ora, le quasiparticelle sono state considerate solo come oggetti quantomeccanici. Nella materia condensata classica, il tasso di collisione delle eccitazioni è tipicamente troppo alto per consentire eccitazioni simili a particelle di lunga durata. "Le nostre scoperte sono una svolta perché, in contrasto con questo paradigma, abbiamo osservato le 'quasiparticelle di Dirac' in un sistema idrodinamico classico", dice Tlusty Mondo della fisica.

Nel nuovo lavoro, Tlusty insieme al collega Hyuk Kyu Pak e lo studente Imran Saeed ha studiato insiemi di microparticelle guidate dal flusso d'acqua in un canale microfluidico molto sottile. I ricercatori hanno scoperto che il movimento delle particelle perturba le linee del flusso d'acqua che le circonda. Le particelle quindi inducono forze idrodinamiche l'una sull'altra.

Particelle “anti-Newtoniane”.

"Curiosamente, le forze tra due particelle sono 'anti-Newtoniane', cioè sono uguali in grandezza e direzione in contrasto con la legge di Newton, che afferma che le forze reciproche dovrebbero opporsi l'una all'altra", spiega Tlusty. "La conseguenza immediata di questa simmetria è l'emergere di coppie stabili che fluiscono insieme alla stessa velocità".

Il risultato implica che le coppie sono quasiparticelle classiche, o eccitazioni di lunga durata nel sistema idrodinamico. I ricercatori hanno confermato la loro ipotesi analizzando le vibrazioni (o fononi) in cristalli bidimensionali idrodinamici contenenti una matrice periodica di migliaia di particelle. Hanno scoperto che i fononi presentano "coni di Dirac", molto simili a quelli osservati nel grafene (un foglio di carbonio dello spessore di un solo atomo) in cui emergono coppie di particelle.

I coni di Dirac sono caratteristiche quantistiche nella struttura a bande elettroniche di un materiale 2D in cui le bande di conduzione e di valenza si incontrano in un unico punto a livello di Fermi. Le bande si avvicinano a questo punto in modo lineare, il che significa che le energie cinetiche effettive degli elettroni di conduzione (e delle lacune) sono direttamente proporzionali ai loro momenti. Questa insolita relazione si vede normalmente solo per i fotoni, che sono privi di massa, perché le energie degli elettroni e di altre particelle di materia a velocità non relativistiche di solito dipendono dal quadrato dei loro momenti. Il risultato è che gli elettroni nei coni di Dirac si comportano come se fossero particelle relativistiche senza massa a riposo, che viaggiano attraverso il materiale a velocità estremamente elevate.

Bande piatte fortemente correlate

Il team dell’IBS ha osservato anche le “bande piatte”, un altro fenomeno quantistico in cui lo spettro energetico degli elettroni contiene fononi ultralenti che sono estremamente fortemente correlati. Recentemente sono state scoperte bande piatte in doppi strati di grafene attorcigliati l'uno rispetto all'altro con un certo angolo. Queste bande sono stati degli elettroni in cui non esiste alcuna relazione tra l'energia degli elettroni e la velocità e sono particolarmente interessanti per i fisici perché in esse gli elettroni diventano “privi di dispersione”, cioè la loro energia cinetica viene soppressa. Mentre gli elettroni rallentano quasi fino a fermarsi, la loro massa effettiva si avvicina all’infinito, portando a fenomeni topologici esotici e a stati della materia fortemente correlati associati alla superconduttività ad alta temperatura, al magnetismo e ad altre proprietà quantistiche dei solidi.

“I nostri risultati suggeriscono che i fenomeni collettivi emergenti – come le quasiparticelle e le bande piatte fortemente correlate – che finora si pensava fossero limitati ai sistemi quantistici, possono essere osservati in contesti classici, come i sistemi chimici e persino la materia vivente”, afferma Tlusty. "Forse questi fenomeni sono molto più comuni di quanto ci siamo resi conto prima."

Quasiparticella semiluce e semimateria appare in un magnete di van der Waals

Tali fenomeni possono aiutare a spiegare vari processi complessi anche nei sistemi classici, aggiunge. “In questo lavoro, dettagliato in Fisica della natura, spieghiamo la transizione di fusione di non equilibrio nel cristallo idrodinamico che abbiamo studiato come il risultato di "valanghe di quasiparticelle". Questi si verificano quando le coppie di quasiparticelle che si propagano attraverso il cristallo stimolano la creazione di altre coppie attraverso una reazione a catena.

“Le coppie di quasiparticelle viaggiano più velocemente della velocità dei fononi e quindi ogni coppia lascia dietro di sé una valanga di coppie appena formate, un po' come il cono di Mach generato dietro un jet supersonico. Alla fine, tutte quelle coppie si scontrano tra loro, il che alla fine porta alla fusione del cristallo.

I ricercatori affermano che dovrebbero esserci molti altri esempi di fenomeni di tipo quantistico in altri sistemi classici. "Sento che le nostre scoperte sono solo la punta dell'iceberg", afferma Tlusty. "Rivelare tali fenomeni può essere molto utile per far progredire la comprensione delle modalità emergenti e delle transizioni di fase".

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