준입자가 고전적인 환경에 나타나 놀라운 물리학자

연구원들은 상온에서 고전 시스템의 준입자를 처음으로 관찰하여 준입자가 양자 물질에만 존재할 수 있다는 견해에 도전했습니다. 흐르는 미립자를 포함하는 얇은 유체 채널에서 이루어진 이 발견은 양자 물질 물리학의 기본 개념이 고전적인 설정에 적용될 수 있음을 시사합니다.

많은 고체와 액체의 입자는 서로 매우 가깝고 따라서 강하게 상호 작용합니다. 이것은 이른바 "다체" 시스템을 연구하고 이해하기 어렵게 만듭니다. 1941년 소련의 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)는 이 복잡한 상황에 대한 해결책을 제시했습니다. 강하게 상호 작용하는 입자라는 복잡한 개념을 고려하는 대신 시스템의 여기(excitation)에 대해 생각하는 것이 어떻습니까?

"이러한 자극이 국지적이고 서로 거의 충돌하지 않는 경우 약하게 상호 작용하는 '유효 입자' 또는 준입자로 간주할 수 있습니다."라고 설명합니다. 츠비 트러스티 이번 연구를 주도한 한국 기초과학연구원(IBS) "Landau의 개념적 돌파구는 초전도 및 초유동성에서의 전자 쌍 형성과 최근 그래핀에서의 전자 흐름과 같은 많은 새로운 현상에 대한 통찰력을 제공함으로써 양자 물질 연구에 대단히 유용했습니다."

너무 많은 충돌

지금까지 준입자는 양자 역학 물체로만 간주되었습니다. 고전적인 응축 물질에서 여기의 충돌 속도는 일반적으로 수명이 긴 입자와 같은 여기를 허용하기에는 너무 높습니다. "우리의 발견은 이 패러다임과 대조적으로 고전적인 유체역학 시스템에서 'Dirac 준입자'를 관찰했기 때문에 획기적인 것입니다."라고 Tlusty는 말합니다. 물리 세계.

새 작품에서 Tlusty는 동료와 함께 박혁규 그리고 학생 Imran Saeed는 매우 얇은 미세 유체 채널에서 물 흐름에 의해 구동되는 미세 입자의 앙상블을 연구했습니다. 연구자들은 입자의 움직임이 입자를 둘러싼 물 흐름의 유선을 교란시킨다는 것을 발견했습니다. 따라서 입자는 서로에 대해 유체역학적 힘을 유도합니다.

"반뉴턴" 입자

"특이하게도, 두 입자 사이의 힘은 '반 뉴턴'입니다. 즉, 상호 힘이 서로 반대해야 한다는 뉴턴의 법칙과 달리 크기와 방향이 같습니다."라고 Tlusty는 설명합니다. "이 대칭의 즉각적인 결과는 동일한 속도로 함께 흐르는 안정적인 쌍의 출현입니다."

결과는 쌍이 고전적인 준 입자 또는 유체 역학 시스템에서 오래 지속되는 여기임을 의미합니다. 연구원들은 수천 개의 입자가 주기적으로 배열된 유체역학적 XNUMX차원 결정의 진동(또는 포논)을 분석하여 가설을 확인했습니다. 그들은 포논이 한 쌍의 입자가 나타나는 그래핀(단지 한 원자 두께의 탄소 시트)에서 관찰되는 것과 매우 유사한 "디랙 콘"을 나타내는 것을 발견했습니다.

디랙 콘은 전도대와 원자가대가 페르미 준위의 단일 지점에서 만나는 2D 물질의 전자대 구조에서 양자 특징입니다. 밴드는 선형 방식으로 이 지점에 접근합니다. 즉, 전도 전자(및 정공)의 유효 운동 에너지가 운동량에 정비례합니다. 비상대론적 속도에서 전자 및 기타 물질 입자의 에너지는 일반적으로 운동량의 제곱에 의존하기 때문에 이 비정상적인 관계는 일반적으로 질량이 없는 광자에서만 볼 수 있습니다. 그 결과 Dirac 원뿔의 전자는 정지 질량이 없는 상대론적 입자처럼 거동하여 매우 빠른 속도로 물질을 통과합니다.

강하게 상관된 플랫 밴드

IBS 팀은 또한 전자 에너지 스펙트럼이 매우 강하게 상관관계가 있는 초저속 포논을 포함하는 또 다른 양자 현상인 "플랫 밴드"를 관찰했습니다. 플랫 밴드는 최근 특정 각도에서 서로에 대해 꼬인 그래핀 이중층에서 발견되었습니다. 이 밴드는 전자의 에너지와 속도 사이에 관계가 없는 전자 상태이며, 전자가 "분산되지 않게" 되기 때문에 물리학자에게 특히 흥미롭습니다. 즉, 운동 에너지가 억제됩니다. 전자가 거의 멈출 때까지 속도가 느려지면 유효 질량이 무한대에 가까워져 이국적인 위상 현상뿐만 아니라 고온 초전도성, 자성 및 기타 고체의 양자 특성과 관련된 물질의 강력한 상관 관계 상태로 이어집니다.

Tlusty는 "우리의 결과는 지금까지 양자 시스템에 국한된 것으로 생각되었던 준입자 및 강력하게 상관된 플랫 밴드와 같은 새로운 집단 현상이 화학 시스템 및 심지어 생명체와 같은 고전적 설정에서 관찰될 수 있음을 시사합니다."라고 말했습니다. "아마도 이러한 현상은 우리가 이전에 깨달은 것보다 훨씬 더 일반적입니다."

반데르발스 자석에 반광, 반물질 준입자가 나타남

이러한 현상은 고전 시스템에서도 다양한 복잡한 프로세스를 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 그는 덧붙였습니다. “이 작업에서 자세히 자연 물리, 우리는 '준입자 사태'의 결과로 연구한 유체 역학 결정의 비평형 용융 전이를 설명합니다. 이들은 결정을 통해 전파되는 준입자 쌍이 연쇄 반응을 통해 다른 쌍의 생성을 자극할 때 발생합니다.

“준입자 쌍은 포논의 속도보다 빠르게 이동하므로 모든 쌍은 초음속 제트기 뒤에 생성된 마하 콘과 같이 새로 형성된 쌍의 눈사태 뒤에 남습니다. 마지막으로 모든 쌍이 서로 충돌하여 결국 결정 용융으로 이어집니다.”

연구원들은 다른 고전 시스템에서 양자 유사 현상의 더 많은 예가 있어야 한다고 말합니다. Tlusty는 “우리의 발견은 빙산의 일각에 불과하다고 생각합니다. "이러한 현상을 밝히는 것은 창발 모드와 상전이에 대한 이해를 높이는 데 매우 유용할 수 있습니다."

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