Quasideeltjes verschijnen in een klassieke setting, verrassende natuurkundigen

Onderzoekers hebben voor het eerst quasideeltjes in een klassiek systeem bij kamertemperatuur waargenomen, wat de opvatting betwist dat quasideeltjes alleen in kwantummaterie kunnen bestaan. De ontdekking, gedaan in een dun vloeistofkanaal dat stromende microdeeltjes bevat, suggereert dat de basisconcepten van de kwantummateriefysica toepasbaar zouden kunnen zijn in klassieke omgevingen.

De deeltjes in veel vaste stoffen en vloeistoffen bevinden zich zeer dicht bij elkaar en hebben daardoor een sterke wisselwerking. Dit maakt zulke ‘veel-lichamen’-systemen, zoals ze worden genoemd, moeilijk te bestuderen en te begrijpen. In 1941 kwam de Sovjet-natuurkundige Lev Landau met een oplossing voor deze gecompliceerde situatie: waarom zouden we, in plaats van na te denken over het complexe idee van sterk op elkaar inwerkende deeltjes, niet in plaats daarvan nadenken over de excitaties van het systeem?

“Als deze excitaties gelokaliseerd zijn en zelden met elkaar in botsing komen, kunnen we ze beschouwen als zwak op elkaar inwerkende ‘effectieve deeltjes’, of quasideeltjes”, legt hij uit. Tsvi Tlusty van het Institute for Basic Science (IBS) in Korea, die de nieuwe studie leidde. "De conceptuele doorbraak van Landau is enorm nuttig geweest bij het onderzoek naar kwantummaterie en heeft inzicht gegeven in veel opkomende verschijnselen, zoals elektronenparen in supergeleiding en superfluïditeit, en recentelijk de elektronenstroom in grafeen."

Te veel botsingen

Tot nu toe werden quasideeltjes alleen beschouwd als kwantummechanische objecten. In klassieke gecondenseerde materie is de botsingssnelheid van excitaties doorgaans veel te hoog om langlevende deeltjesachtige excitaties mogelijk te maken. “Onze bevindingen zijn een doorbraak omdat we, in tegenstelling tot dit paradigma, ‘Dirac-quasideeltjes’ hebben waargenomen in een klassiek hydrodynamisch systeem”, vertelt Tlusty. Natuurkunde wereld.

In het nieuwe werk Tlusty samen met collega Hyuk Kyu Pak en student Imran Saeed bestudeerden ensembles van microdeeltjes aangedreven door waterstroming in een zeer dun microfluïdisch kanaal. De onderzoekers ontdekten dat de beweging van de deeltjes de stroomlijnen van de waterstroom om hen heen verstoort. De deeltjes oefenen dus hydrodynamische krachten op elkaar uit.

“Anti-Newtoniaanse” deeltjes

“Opmerkelijk genoeg zijn de krachten tussen twee deeltjes ‘anti-Newtoniaans’ – dat wil zeggen dat ze qua grootte en richting gelijk zijn, in tegenstelling tot de wet van Newton, die stelt dat de onderlinge krachten tegenover elkaar moeten staan”, legt Tlusty uit. “Het onmiddellijke gevolg van deze symmetrie is het ontstaan ​​van stabiele paren die met dezelfde snelheid samenvloeien.”

Het resultaat impliceert dat de paren klassieke quasideeltjes zijn, of langlevende excitaties in het hydrodynamische systeem. De onderzoekers bevestigden hun hypothese door de trillingen (of fononen) te analyseren in hydrodynamische tweedimensionale kristallen die een periodieke reeks van duizenden deeltjes bevatten. Ze ontdekten dat de fononen ‘Dirac-kegels’ vertonen, vergelijkbaar met die waargenomen in grafeen (een laag koolstof van slechts één atoom dik) waarin paren deeltjes tevoorschijn komen.

Dirac-kegels zijn kwantumkenmerken in de elektronische bandstructuur van een 2D-materiaal waarbij de geleidings- en valentiebanden samenkomen in een enkel punt op het Fermi-niveau. De banden naderen dit punt op een lineaire manier, wat betekent dat de effectieve kinetische energie van de geleidingselektronen (en gaten) recht evenredig is met hun momentum. Deze ongebruikelijke relatie wordt normaal gesproken alleen gezien bij fotonen, die massaloos zijn, omdat de energieën van elektronen en andere materiedeeltjes bij niet-relativistische snelheden gewoonlijk afhangen van het kwadraat van hun impuls. Het resultaat is dat de elektronen in Dirac-kegels zich gedragen alsof het relativistische deeltjes zijn zonder rustmassa, die met extreem hoge snelheden door het materiaal reizen.

Sterk gecorreleerde platte banden

Het IBS-team heeft ook ‘platte banden’ waargenomen – een ander kwantumfenomeen waarbij het elektronenenergiespectrum ultralangzame fononen bevat die extreem sterk gecorreleerd zijn. Recent zijn platte banden ontdekt in dubbellagen grafeen die onder een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar zijn gedraaid. Deze banden zijn elektronentoestanden waarin er geen verband bestaat tussen de energie en snelheid van de elektronen en ze zijn vooral interessant voor natuurkundigen omdat elektronen daarin “dispersieloos” worden – dat wil zeggen dat hun kinetische energie wordt onderdrukt. Terwijl de elektronen bijna tot stilstand komen, nadert hun effectieve massa het oneindige, wat leidt tot exotische topologische verschijnselen en sterk gecorreleerde toestanden van materie die verband houden met supergeleiding bij hoge temperaturen, magnetisme en andere kwantumeigenschappen van vaste stoffen.

“Onze resultaten suggereren dat opkomende collectieve verschijnselen – zoals quasideeltjes en sterk gecorreleerde platte banden – waarvan tot nu toe werd gedacht dat ze beperkt waren tot kwantumsystemen, kunnen worden waargenomen in klassieke omgevingen, zoals chemische systemen en zelfs levende materie”, zegt Tlusty. “Misschien komen deze verschijnselen veel vaker voor dan we ons eerder realiseerden.”

Halflicht, halfmaterie quasideeltje verschijnt in een van der Waals-magneet

Dergelijke verschijnselen kunnen ook helpen bij het verklaren van verschillende complexe processen in klassieke systemen, voegt hij eraan toe. “In dit werk, gedetailleerd in Natuurfysica, verklaren we de niet-evenwichtssmeltovergang in het hydrodynamische kristal dat we bestudeerden als het resultaat van 'quasideeltjeslawines'. Deze treden op wanneer de paren quasideeltjes die zich door het kristal voortplanten, de creatie van andere paren stimuleren door middel van een kettingreactie.

“De paren van quasideeltjes reizen sneller dan de snelheid van fononen en dus laat elk paar een lawine van nieuw gevormde paren achter – vergelijkbaar met de Mach-kegel die wordt gegenereerd achter een supersonisch straalvliegtuig. Uiteindelijk komen al die paren met elkaar in botsing, wat uiteindelijk leidt tot het smelten van de kristallen.”

De onderzoekers zeggen dat er veel meer voorbeelden van kwantumachtige verschijnselen in andere klassieke systemen zouden moeten zijn. “Ik heb het gevoel dat onze bevindingen slechts het topje van de ijsberg zijn”, zegt Tlusty. "Het onthullen van dergelijke verschijnselen kan zeer nuttig zijn bij het bevorderen van het begrip van opkomende modi en faseovergangen."

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/