קוואזי-חלקיקים מופיעים בסביבה קלאסית, מפתיעים פיזיקאים

חוקרים צפו קוואזי-חלקיקים במערכת קלאסית בטמפרטורת החדר בפעם הראשונה, וקוראים תיגר על ההשקפה שקוואזי-חלקיקים יכולים להתקיים רק בחומר קוונטי. התגלית, שנעשתה בתעלה נוזלית דקה המכילה מיקרו-חלקיקים זורמים, מציעה שהמושגים הבסיסיים של פיזיקת החומר הקוונטי עשויים לחול על הגדרות קלאסיות.

החלקיקים במוצקים ובנוזלים רבים מוצאים עצמם קרובים מאוד זה לזה ולכן מקיימים אינטראקציה חזקה. זה הופך מערכות "רב-גוף" כאלה, כפי שהן מכונות, לקשות ללימוד והבנה. ב-1941 הציג הפיזיקאי הסובייטי לב לנדאו פתרון למצב המסובך הזה: במקום לשקול את הרעיון המורכב של חלקיקים בעלי אינטראקציה חזקה, מדוע לא לחשוב במקום זאת על העירורים של המערכת?

"אם העוררות הללו ממוקמות ולעתים רחוקות מתנגשות זו בזו, נוכל להתייחס אליהן כ"חלקיקים יעילים" או קוואזי-חלקיקים בעלי אינטראקציה חלשה", מסביר צבי טלסטי מהמכון למדע בסיסי (IBS) בקוריאה, שהוביל את המחקר החדש. "פריצת הדרך המושגית של לנדאו הייתה שימושית מאוד בחקר החומר הקוונטי, וסיפקה תובנה לתופעות רבות שנוצרו, כמו זיווג אלקטרונים במוליכות-על ועל-נוזליות, ולאחרונה זרימת אלקטרונים בגרפן."

יותר מדי התנגשויות

עד כה, קוואזי-חלקיקים נחשבו רק כאובייקטים קוונטיים-מכניים. בחומר מעובה קלאסי, קצב ההתנגשות של עירורים הוא בדרך כלל גבוה מדי מכדי לאפשר עירורים דמויי חלקיקים ארוכים. "הממצאים שלנו הם פריצת דרך מכיוון שבניגוד לפרדיגמה הזו, צפינו ב'קוואזי-חלקיקים של דיראק' במערכת הידרודינמית קלאסית", אומר טלסטי. עולם הפיזיקה.

בעבודה החדשה, טלסטי יחד עם עמית היוק קיו פאק והסטודנט אימראן סעיד חקרו אנסמבלים של מיקרו-חלקיקים המונעים על ידי זרימת מים בתעלה מיקרו-נוזלית דקה מאוד. החוקרים גילו כי תנועת החלקיקים מפריעה את קווי היעילות של זרימת המים המקיפה אותם. כך, החלקיקים גורמים לכוחות הידרודינמיים זה על זה.

חלקיקים "אנטי ניוטוניים".

"באופן מיוחד, הכוחות בין שני חלקיקים הם 'אנטי ניוטוניים' - כלומר, הם שווים בגודלם ובכיווןם בניגוד לחוק ניוטון, הקובע שהכוחות ההדדיים צריכים להתנגד זה לזה", מסביר טלסטי. "התוצאה המיידית של סימטריה זו היא הופעתם של זוגות יציבים שזורמים יחד באותה מהירות."

התוצאה מרמזת שהזוגות הם קוואזי-חלקיקים קלאסיים, או עירורים ארוכים במערכת ההידרודינמית. החוקרים אישרו את השערתם על ידי ניתוח התנודות (או הפונונים) בגבישים דו-מימדיים הידרודינמיים המכילים מערך תקופתי של אלפי חלקיקים. הם גילו שהפונונים מציגים "קונוסים של דיראק", בדומה לאלה שנצפו בגרפן (יריעה של פחמן בעובי של אטום אחד בלבד) שבהם עולים זוגות של חלקיקים.

קונוסי דיראק הם מאפיינים קוונטיים במבנה הרצועה האלקטרונית של חומר דו-ממדי שבו פסי ההולכה והערכיות נפגשים בנקודה אחת ברמת הפרמי. הרצועות מתקרבות לנקודה זו בצורה ליניארית, מה שאומר שהאנרגיות הקינטיות האפקטיביות של אלקטרוני ההולכה (והחורים) עומדות ביחס ישר למומנטה שלהם. קשר חריג זה נראה בדרך כלל רק עבור פוטונים, שהם חסרי מסה, מכיוון שהאנרגיות של אלקטרונים וחלקיקי חומר אחרים במהירויות לא יחסיות תלויות בדרך כלל בריבוע המומנטה שלהם. התוצאה היא שהאלקטרונים בקונוסים של דיראק מתנהגים כאילו הם חלקיקים רלטיביסטיים ללא מסת מנוחה, העוברים דרך החומר במהירויות גבוהות במיוחד.

פסים שטוחים בקורלציה חזקה

צוות IBS צפה גם ב"רצועות שטוחות" - תופעה קוונטית נוספת שבה ספקטרום אנרגיית האלקטרונים מכיל פונונים איטיים במיוחד המתואמים בצורה חזקה במיוחד. רצועות שטוחות התגלו לאחרונה בשכבות דו-שכבות של גרפן המעוותות זו בזו בזווית מסוימת. הרצועות הללו הן מצבי אלקטרונים שבהם אין קשר בין האנרגיה והמהירות של האלקטרונים והן מעניינות במיוחד עבור פיזיקאים מכיוון שהאלקטרונים הופכים בהם "ללא פיזור" - כלומר, האנרגיה הקינטית שלהם מדוכאת. כשהאלקטרונים מאטים כמעט עד לעצירה, המסה האפקטיבית שלהם מתקרבת לאינסוף, מה שמוביל לתופעות טופולוגיות אקזוטיות כמו גם למצבי חומר בקורלציה הדוק הקשורים למוליכות-על בטמפרטורה גבוהה, למגנטיות ולתכונות קוונטיות אחרות של מוצקים.

"התוצאות שלנו מצביעות על כך שתופעות קולקטיביות מתעוררות - כמו חלקיקים כמו חלקיקים ורצועות שטוחות בקורלציה חזקה - שעד כה נחשבו מוגבלות למערכות קוונטיות עשויות להופיע בסביבה קלאסית, כמו מערכות כימיות ואפילו חומר חי", אומר טלסטי. "אולי התופעות האלה נפוצות הרבה יותר ממה שהבנו קודם."

קוואזי-חלקיק חצי קל וחצי חומר מופיע במגנט של ואן דר ואלס

תופעות כאלה עשויות לעזור להסביר תהליכים מורכבים שונים גם במערכות קלאסיות, הוא מוסיף. "בעבודה זו, מפורט ב פיזיקת טבע, אנו מסבירים את מעבר ההיתוך ללא שיווי המשקל בגביש ההידרודינמי שחקרנו כתוצאה של 'מפולות קוואזי-חלקיקים'. אלה מתרחשים כאשר זוגות הכמו-חלקיקים המתפשטים דרך הגביש מעוררים יצירת זוגות אחרים באמצעות תגובת שרשרת.

"צמדי הכמו-חלקיקים נעים מהר יותר ממהירות הפונונים ולכן כל זוג מותיר אחריו מפולת של זוגות שזה עתה נוצרו - ממש כמו חרוט מאך שנוצר מאחורי מטוס סילון על-קולי. לבסוף, כל הזוגות הללו מתנגשים זה בזה, מה שמוביל בסופו של דבר להמסת הגביש".

החוקרים אומרים שצריכות להיות עוד דוגמאות רבות לתופעות דמויות קוונטים במערכות קלאסיות אחרות. "אני מרגיש שהממצאים שלנו הם רק קצה הקרחון", אומר טלסטי. "חשיפת תופעות כאלה עשויה להיות שימושית מאוד בקידום ההבנה של מצבים מתעוררים ומעברי פאזה."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/