準粒子は古典的な設定で出現し、物理学者を驚かせた

研究者は、室温で古典系の準粒子を初めて観察し、準粒子は量子物質にしか存在できないという見解に挑戦しました。 流れる微粒子を含む薄い流体チャネルで行われた発見は、量子物質物理学の基本的な概念が古典的な設定に適用できる可能性があることを示唆しています。

多くの固体および液体の粒子は、互いに非常に接近しているため、強く相互作用します。 これにより、そのような「多体」システムと呼ばれるものは、研究と理解が困難になります。 1941 年、ソビエトの物理学者レフ・ランダウは、この複雑な状況に対する解決策を提案しました。粒子が強く相互作用するという複雑な考えを考える代わりに、代わりに系の励起について考えてみませんか?

「これらの励起が局所的であり、互いにほとんど衝突しない場合、それらを弱く相互作用する「有効粒子」または準粒子と見なすことができます」と説明します。 ツヴィ・トラスティ 新しい研究を主導した韓国の基礎科学研究所（IBS）の。 「Landau の概念上のブレークスルーは、量子物質の研究において非常に有用であり、超伝導や超流動における電子対形成、最近ではグラフェンにおける電子の流れなど、多くの新たな現象への洞察を提供しています。」

衝突が多すぎる

これまで、準粒子は量子力学的物体としてのみ考えられてきました。 古典的な凝縮物質では、励起の衝突率は通常、長寿命の粒子のような励起を可能にするには高すぎます。 「このパラダイムとは対照的に、古典的な流体力学系で「ディラック準粒子」を観察したため、私たちの発見は画期的なものです」とTlusty氏は語っています。 物理学の世界.

新作ではTlustyと同僚 パク・ヒョクキュ 学生の Imran Saeed は、非常に細いマイクロ流体チャネル内の水の流れによって駆動される微粒子の集合体を研究しました。 研究者は、粒子の動きが粒子を取り囲む水流の流線を乱すことを発見しました。 したがって、粒子は互いに流体力学的な力を誘発します。

「反ニュートン」粒子

「奇妙なことに、XNUMX つの粒子間の力は「反ニュートン力」です。つまり、相互の力は互いに反対でなければならないというニュートンの法則とは対照的に、大きさと方向が同じです」と Tlusty は説明します。 「この対称性の直接的な結果は、同じ速度で一緒に流れる安定したペアの出現です。」

結果は、ペアが古典的な準粒子、または流体力学系の長寿命の励起であることを意味します。 研究者らは、何千もの粒子の周期的な配列を含む流体力学的二次元結晶の振動 (またはフォノン) を分析することによって、彼らの仮説を確認しました。 彼らは、フォノンが「ディラック コーン」を示すことを発見しました。これは、粒子のペアが出現するグラフェン (原子 XNUMX 個分の厚さの炭素のシート) で観察されるものとよく似ています。

ディラック コーンは、伝導帯と価電子帯がフェルミ レベルの 2 点で交わる XNUMXD 材料の電子バンド構造における量子特性です。 バンドはこのポイントに直線的に近づきます。つまり、伝導電子 (および正孔) の有効運動エネルギーは、それらの運動量に正比例します。 この異常な関係は通常、質量のない光子でのみ見られます。これは、非相対論的速度での電子やその他の物質の粒子のエネルギーは、通常、それらの運動量の XNUMX 乗に依存するためです。 その結果、ディラック コーン内の電子は、静止質量を持たない相対論的粒子であるかのように振る舞い、材料の中を非常に高速で移動します。

強い相関のあるフラット バンド

IBS チームは、「フラット バンド」も観察しました。これは、電子エネルギー スペクトルに非常に強く相関する超低速フォノンが含まれる別の量子現象です。 最近、特定の角度で互いにねじれたグラフェンの二重層でフラットバンドが発見されました。 これらのバンドは、電子のエネルギーと速度の間に関係がない電子状態であり、電子が「無分散」になるため、つまり運動エネルギーが抑制されるため、物理学者にとって特に興味深いものです。 電子がほぼ停止するまで減速すると、それらの有効質量は無限大に近づき、エキゾチックなトポロジー現象や、高温超伝導、磁性、その他の固体の量子特性に関連する物質の強い相関状態につながります。

「私たちの結果は、これまで量子システムに限定されると考えられていた準粒子や強相関フラット バンドなどの創発的な集合現象が、化学システムや生物などの古典的な設定で観察される可能性があることを示唆しています」と Tlusty は言います。 「おそらく、これらの現象は、私たちが以前に認識したよりもはるかに一般的です。」

ファンデルワールス磁石の中に半光半物質の準粒子が現れる

このような現象は、古典系におけるさまざまな複雑なプロセスの説明にも役立つ可能性があると彼は付け加えます。 「この作品では、 自然物理学、我々が研究した流体力学的結晶における非平衡融解遷移は、「準粒子雪崩」の結果であると説明します。 これらは、結晶を通って伝播する準粒子のペアが、連鎖反応によって他のペアの作成を刺激するときに発生します。

「準粒子のペアはフォノンの速度よりも速く移動するため、すべてのペアが新たに形成されたペアのなだれを残します。これは、超音速ジェット機の背後で生成されるマッハ コーンのようなものです。 最後に、それらすべてのペアが互いに衝突し、最終的に結晶の融解につながります。」

研究者たちは、他の古典的なシステムには量子のような現象の例がもっとたくさんあるはずだと言います. 「私たちの調査結果は氷山の一角に過ぎないと感じています」と Tlusty は言います。 「そのような現象を明らかにすることは、創発モードと相転移の理解を進める上で非常に役立つかもしれません。」

• SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
• Platoblockchain。 Web3メタバースインテリジェンス。 知識の増幅。 こちらからアクセスしてください。
• 情報源： https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/