Kwazicząstki pojawiają się w klasycznym otoczeniu, zaskakując fizyków

Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali kwazicząstki w układzie klasycznym w temperaturze pokojowej, podważając pogląd, że kwazicząstki mogą istnieć tylko w materii kwantowej. Odkrycie dokonane w cienkim kanale płynowym zawierającym przepływające mikrocząstki sugeruje, że podstawowe koncepcje fizyki materii kwantowej mogą mieć zastosowanie w klasycznych warunkach.

Cząsteczki w wielu ciałach stałych i cieczach znajdują się bardzo blisko siebie i dlatego silnie oddziałują na siebie. To sprawia, że ​​takie systemy „wielu ciał”, jak się je nazywa, są trudne do zbadania i zrozumienia. W 1941 roku radziecki fizyk Lev Landau zaproponował rozwiązanie tej skomplikowanej sytuacji: zamiast rozważać złożoną ideę silnie oddziałujących cząstek, dlaczego zamiast tego nie pomyśleć o wzbudzeniach układu?

„Jeśli te wzbudzenia są zlokalizowane i rzadko zderzają się ze sobą, możemy uznać je za słabo oddziałujące „skuteczne cząstki” lub kwazicząstki”, wyjaśnia Cwi Tłusty z Institute for Basic Science (IBS) w Korei, który kierował nowym badaniem. „Przełom koncepcyjny Landaua był niezwykle przydatny w badaniach materii kwantowej, zapewniając wgląd w wiele nowych zjawisk, takich jak parowanie elektronów w nadprzewodnictwie i nadciekłości, a ostatnio przepływ elektronów w grafenie”.

Za dużo kolizji

Do tej pory kwazicząstki uważano jedynie za obiekty mechaniki kwantowej. W klasycznej materii skondensowanej częstość kolizji wzbudzeń jest zazwyczaj o wiele za duża, aby umożliwić długowieczne wzbudzenia podobne do cząstek. „Nasze odkrycia są przełomowe, ponieważ w przeciwieństwie do tego paradygmatu zaobserwowaliśmy„ kwazicząstki Diraca ”w klasycznym układzie hydrodynamicznym”, mówi Tlusty Świat Fizyki.

W nowej pracy Tlusty wraz z koleżanką Hyuk Kyu Paka a student Imran Saeed badał zespoły mikrocząstek napędzanych przepływem wody w bardzo cienkim kanale mikroprzepływowym. Naukowcy odkryli, że ruch cząstek zaburza linie przepływu otaczającej je wody. Cząstki indukują w ten sposób siły hydrodynamiczne względem siebie.

Cząstki „antynewtonowskie”.

„Co ciekawe, siły między dwiema cząstkami są „antynewtonowskie” – to znaczy, że są równe pod względem wielkości i kierunku, w przeciwieństwie do prawa Newtona, które mówi, że wzajemne siły powinny się przeciwstawiać”, wyjaśnia Tlusty. „Natychmiastową konsekwencją tej symetrii jest pojawienie się stabilnych par, które płyną razem z tą samą prędkością”.

Wynik sugeruje, że pary są klasycznymi kwazicząstkami lub długotrwałymi wzbudzeniami w układzie hydrodynamicznym. Naukowcy potwierdzili swoją hipotezę, analizując wibracje (lub fonony) w hydrodynamicznych dwuwymiarowych kryształach zawierających układ okresowy tysięcy cząstek. Odkryli, że fonony wykazują „stożki Diraca”, podobnie jak te obserwowane w grafenie (arkusz węgla o grubości zaledwie jednego atomu), w którym pojawiają się pary cząstek.

Stożki Diraca to cechy kwantowe w elektronowej strukturze pasmowej materiału 2D, gdzie pasma przewodnictwa i walencyjne spotykają się w jednym punkcie na poziomie Fermiego. Pasma zbliżają się do tego punktu w sposób liniowy, co oznacza, że ​​efektywne energie kinetyczne elektronów przewodzących (i dziur) są wprost proporcjonalne do ich pędów. Ta niezwykła zależność jest zwykle widoczna tylko dla fotonów, które są bezmasowe, ponieważ energie elektronów i innych cząstek materii przy nierelatywistycznych prędkościach zwykle zależą od kwadratu ich pędu. W rezultacie elektrony w stożkach Diraca zachowują się tak, jakby były cząstkami relatywistycznymi bez masy spoczynkowej, poruszającymi się przez materiał z ekstremalnie dużymi prędkościami.

Silnie skorelowane płaskie pasma

Zespół IBS zaobserwował również „płaskie pasma” – inne zjawisko kwantowe, w którym widmo energii elektronów zawiera ultrawolne fonony, które są niezwykle silnie skorelowane. Niedawno odkryto płaskie pasma w dwuwarstwach grafenu skręconych względem siebie pod pewnym kątem. Te pasma to stany elektronowe, w których nie ma związku między energią a prędkością elektronów i są one szczególnie interesujące dla fizyków, ponieważ elektrony stają się w nich „bezdyspersyjne”, czyli ich energia kinetyczna jest tłumiona. Gdy elektrony zwalniają prawie do zera, ich masa efektywna zbliża się do nieskończoności, co prowadzi do egzotycznych zjawisk topologicznych, a także silnie skorelowanych stanów materii związanych z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, magnetyzmem i innymi kwantowymi właściwościami ciał stałych.

„Nasze wyniki sugerują, że wyłaniające się zjawiska zbiorowe – takie jak kwazicząstki i silnie skorelowane płaskie pasma – które do tej pory uważano za ograniczone do układów kwantowych, można zaobserwować w klasycznych układach, takich jak układy chemiczne, a nawet ożywiona materia” – mówi Tlusty. „Być może te zjawiska są znacznie bardziej powszechne niż wcześniej zdawaliśmy sobie z tego sprawę”.

W magnesie van der Waalsa pojawia się półlekka, półmateriałowa quasicząsteczka

Takie zjawiska mogą również pomóc w wyjaśnieniu różnych złożonych procesów w systemach klasycznych - dodaje. „W tej pracy, szczegółowo w Fizyka przyrody, wyjaśniamy nierównowagowe przejście topnienia w badanym przez nas krysztale hydrodynamicznym jako wynik „lawin kwazicząsteczkowych”. Występują one, gdy pary kwazicząstek rozchodzące się w krysztale stymulują tworzenie innych par poprzez reakcję łańcuchową.

„Pary kwazicząstek poruszają się szybciej niż prędkość fononów, a zatem każda para pozostawia po sobie lawinę nowo utworzonych par – podobnie jak stożek Macha generowany za naddźwiękowym odrzutowcem. W końcu wszystkie te pary zderzają się ze sobą, co ostatecznie prowadzi do stopienia kryształu”.

Naukowcy twierdzą, że powinno być o wiele więcej przykładów zjawisk podobnych do kwantowych w innych klasycznych systemach. „Czuję, że nasze odkrycia to tylko wierzchołek góry lodowej” — mówi Tlusty. „Ujawnienie takich zjawisk może być bardzo przydatne w pogłębianiu zrozumienia pojawiających się modów i przejść fazowych”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/