Kvasipartikler dukker opp i en klassisk setting, overraskende fysikere

Forskere har observert kvasipartikler i et klassisk system ved romtemperatur for første gang, noe som utfordrer synet om at kvasipartikler bare kan eksistere i kvantestoff. Oppdagelsen, gjort i en tynn fluidkanal som inneholder strømmende mikropartikler, antyder at de grunnleggende konseptene for kvantemateriefysikk kan være anvendelige for klassiske omgivelser.

Partiklene i mange faste stoffer og væsker befinner seg veldig nær hverandre og interagerer derfor sterkt. Dette gjør slike "mangekropps"-systemer, som de kalles, vanskelige å studere og forstå. I 1941 la den sovjetiske fysikeren Lev Landau frem en løsning på denne kompliserte situasjonen: i stedet for å vurdere den komplekse ideen om sterkt interagerende partikler, hvorfor ikke heller tenke på eksitasjonene til systemet?

"Hvis disse eksitasjonene er lokaliserte og sjelden kolliderer med hverandre, kan vi betrakte dem som svakt samvirkende 'effektive partikler' eller kvasipartikler," forklarer Tsvi Tlusty fra Institute for Basic Science (IBS) i Korea, som ledet den nye studien. "Landaus konseptuelle gjennombrudd har vært enormt nyttig i kvantematerieforskning, og gitt innsikt i mange nye fenomener, som elektronparing i superledning og superfluiditet, og nylig elektronstrøm i grafen."

For mange kollisjoner

Til nå har kvasipartikler kun blitt betraktet som kvantemekaniske objekter. I klassisk kondensert materiale er kollisjonshastigheten for eksitasjoner vanligvis altfor høy til å tillate langlivede partikkellignende eksitasjoner. "Funnene våre er et gjennombrudd fordi vi, i motsetning til dette paradigmet, observerte 'Dirac kvasipartikler' i et klassisk hydrodynamisk system," forteller Tlusty Fysikkens verden.

I det nye arbeidet, Tlusty sammen med kollega Hyuk Kyu Pak og student Imran Saeed studerte ensembler av mikropartikler drevet av vannstrøm i en veldig tynn mikrofluidisk kanal. Forskerne fant at partiklenes bevegelse forstyrrer strømlinjene i vannstrømmen som omgir dem. Partiklene induserer dermed hydrodynamiske krefter på hverandre.

"Anti-Newtonske" partikler

"Speselig er kreftene mellom to partikler 'anti-newtonske' - det vil si at de er like i størrelse og retning i motsetning til Newtons lov, som sier at de gjensidige kreftene skal motarbeide hverandre," forklarer Tlusty. "Den umiddelbare konsekvensen av denne symmetrien er fremveksten av stabile par som flyter sammen med samme hastighet."

Resultatet innebærer at parene er klassiske kvasipartikler, eller langlivede eksitasjoner i det hydrodynamiske systemet. Forskerne bekreftet hypotesen deres ved å analysere vibrasjonene (eller fononene) i hydrodynamiske todimensjonale krystaller som inneholder en periodisk rekke av tusenvis av partikler. De fant ut at fononene viser "Dirac-kjegler", omtrent som de som er observert i grafen (et ark med karbon bare ett atom tykt) der par av partikler dukker opp.

Dirac-kjegler er kvantetrekk i den elektroniske båndstrukturen til et 2D-materiale der lednings- og valensbåndene møtes i et enkelt punkt på Fermi-nivået. Båndene nærmer seg dette punktet på en lineær måte, noe som betyr at de effektive kinetiske energiene til ledningselektronene (og hullene) er direkte proporsjonale med deres momenta. Dette uvanlige forholdet sees normalt bare for fotoner, som er masseløse, fordi energiene til elektroner og andre partikler av materie ved ikke-relativistiske hastigheter vanligvis avhenger av kvadratet på momenta. Resultatet er at elektronene i Dirac-kjegler oppfører seg som om de er relativistiske partikler uten hvilemasse, som beveger seg gjennom materialet med ekstremt høye hastigheter.

Sterkt korrelerte flate bånd

IBS-teamet observerte også "flate bånd" - et annet kvantefenomen der elektronenergispekteret inneholder ultra-langsomme fononer som er ekstremt sterkt korrelert. Flate bånd ble nylig oppdaget i tolag av grafen vridd i forhold til hverandre i en viss vinkel. Disse båndene er elektrontilstander der det ikke er noen sammenheng mellom elektronenes energi og hastighet, og de er spesielt interessante for fysikere fordi elektroner blir "spredningsløse" i dem - det vil si at deres kinetiske energi undertrykkes. Når elektronene bremser nesten til en stopper, nærmer deres effektive masse seg uendelig, noe som fører til eksotiske topologiske fenomener så vel som sterkt korrelerte materietilstander assosiert med høytemperatursuperledning, magnetisme og andre kvanteegenskaper til faste stoffer.

"Våre resultater tyder på at fremvoksende kollektive fenomener - som kvasipartikler og sterkt korrelerte flate bånd - som så langt ble antatt å være begrenset til kvantesystemer, kan observeres i klassiske omgivelser, for eksempel kjemiske systemer og til og med levende materie," sier Tlusty. "Kanskje disse fenomenene er mye mer vanlige enn vi skjønte før."

Halv-lett, halv-materie kvasipartikkel vises i en van der Waals-magnet

Slike fenomener kan være med på å forklare ulike komplekse prosesser også i klassiske systemer, legger han til. "I dette arbeidet, detaljert i Naturfysikk, forklarer vi ikke-likevektssmelteovergangen i den hydrodynamiske krystallen vi studerte som et resultat av 'kvasipartikkelskred'. Disse oppstår når parene av kvasipartikler som forplanter seg gjennom krystallen stimulerer dannelsen av andre par gjennom en kjedereaksjon.

"Kvasipartikkelparene reiser raskere enn hastigheten til fononer, og dermed etterlater hvert par et snøskred av nydannede par - akkurat som Mach-kjeglen som genereres bak et supersonisk jetfly. Til slutt kolliderer alle disse parene med hverandre, noe som til slutt fører til at krystallen smelter."

Forskerne sier det burde være mange flere eksempler på kvantelignende fenomener i andre klassiske systemer. "Jeg føler at funnene våre bare er toppen av isfjellet," sier Tlusty. "Å avsløre slike fenomener kan være svært nyttig for å fremme forståelsen av fremvoksende moduser og faseoverganger."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/