Cvasiparticulele apar într-un cadru clasic, surprinzând fizicienii

Cercetătorii au observat pentru prima dată cvasiparticule într-un sistem clasic la temperatura camerei, contestând punctul de vedere conform căruia cvasiparticulele pot exista doar în materia cuantică. Descoperirea, făcută într-un canal fluidic subțire care conține microparticule curgătoare, sugerează că conceptele de bază ale fizicii materiei cuantice ar putea fi aplicabile setărilor clasice.

Particulele din multe solide și lichide se găsesc foarte aproape unele de altele și, prin urmare, interacționează puternic. Acest lucru face ca astfel de sisteme „cu mai multe corpuri”, așa cum sunt numite, să fie dificil de studiat și de înțeles. În 1941, fizicianul sovietic Lev Landau a propus o soluție la această situație complicată: în loc să ia în considerare ideea complexă a particulelor care interacționează puternic, de ce să nu te gândești în schimb la excitațiile sistemului?

„Dacă aceste excitații sunt localizate și rareori se ciocnesc unele de altele, le putem considera ca „particule eficiente” sau cvasiparticule care interacționează slab”, explică. Tsvi Tlusty de la Institutul pentru Științe de bază (IBS) din Coreea, care a condus noul studiu. „Descoperirea conceptuală a lui Landau a fost extrem de utilă în cercetarea materiei cuantice, oferind o perspectivă asupra multor fenomene emergente, cum ar fi împerecherea electronilor în supraconductivitate și superfluiditate și recent fluxul de electroni în grafen.”

Prea multe ciocniri

Până acum, cvasiparticulele au fost considerate doar obiecte mecanice cuantice. În materia condensată clasică, rata de coliziune a excitațiilor este de obicei mult prea mare pentru a permite excitații de lungă durată asemănătoare particulelor. „Descoperirile noastre sunt o descoperire deoarece, spre deosebire de această paradigmă, am observat „cvasiparticule de Dirac” într-un sistem hidrodinamic clasic”, spune Tlusty. Lumea fizicii.

În noua lucrare, Tlusty împreună cu colegul Hyuk Kyu Pak iar studentul Imran Saeed a studiat ansambluri de microparticule conduse de fluxul de apă într-un canal microfluidic foarte subțire. Cercetătorii au descoperit că mișcarea particulelor perturbă fluxul de apă din jurul lor. Particulele induc astfel forțe hidrodinamice unele asupra celeilalte.

Particule „anti-newtoniene”.

„În mod deosebit, forțele dintre două particule sunt „anti-newtoniene” – adică sunt egale ca mărime și direcție, în contrast cu legea lui Newton, care afirmă că forțele reciproce ar trebui să se opună una cu cealaltă”, explică Tlusty. „Consecința imediată a acestei simetrii este apariția unor perechi stabile care curg împreună cu aceeași viteză.”

Rezultatul implică faptul că perechile sunt cvasiparticule clasice sau excitații cu viață lungă în sistemul hidrodinamic. Cercetătorii și-au confirmat ipoteza analizând vibrațiile (sau fononii) din cristalele hidrodinamice bidimensionale care conțin o serie periodică de mii de particule. Ei au descoperit că fononii prezintă „conuri Dirac”, la fel ca cele observate în grafen (o foaie de carbon de doar un atom grosime) în care ies perechi de particule.

Conurile Dirac sunt caracteristici cuantice în structura benzii electronice a unui material 2D în care benzile de conducere și de valență se întâlnesc într-un singur punct la nivelul Fermi. Benzile se apropie de acest punct într-un mod liniar, ceea ce înseamnă că energiile cinetice efective ale electronilor de conducție (și ale găurilor) sunt direct proporționale cu momentul lor. Această relație neobișnuită este observată în mod normal doar pentru fotoni, care sunt fără masă, deoarece energiile electronilor și ale altor particule de materie la viteze non-relativiste depind de obicei de pătratul momentului lor. Rezultatul este că electronii din conurile Dirac se comportă ca și cum ar fi particule relativiste fără masă de repaus, călătorind prin material la viteze extrem de mari.

Benzile plate puternic corelate

Echipa IBS a observat, de asemenea, „benzi plate” – un alt fenomen cuantic în care spectrul energetic al electronilor conține fononi ultra-lenti care sunt corelați extrem de puternic. Benzile plate au fost descoperite recent în straturi duble de grafen răsucite unul față de celălalt la un anumit unghi. Aceste benzi sunt stări de electroni în care nu există nicio relație între energia și viteza electronilor și sunt deosebit de interesante pentru fizicieni, deoarece electronii devin „fără dispersie” în ele – adică energia lor cinetică este suprimată. Pe măsură ce electronii încetinesc aproape până la o oprire, masa lor efectivă se apropie de infinit, ducând la fenomene topologice exotice, precum și la stări puternic corelate ale materiei asociate cu supraconductivitate la temperatură ridicată, magnetism și alte proprietăți cuantice ale solidelor.

„Rezultatele noastre sugerează că fenomenele colective emergente – cum ar fi cvasiparticulele și benzile plate puternic corelate – despre care se credea că până acum se limitau la sisteme cuantice pot fi observate în setări clasice, cum ar fi sistemele chimice și chiar materia vie”, spune Tlusty. „Poate că aceste fenomene sunt mult mai frecvente decât ne-am dat seama înainte.”

Cvasiparticulă semiluminoasă și jumătate de materie apare într-un magnet van der Waals

Astfel de fenomene pot ajuta la explicarea diferitelor procese complexe și în sistemele clasice, adaugă el. „În această lucrare, detaliată în Fizica naturii, explicăm tranziția de topire neechilibră în cristalul hidrodinamic pe care l-am studiat ca fiind rezultatul „avalanșelor de cvasiparticule”. Acestea apar atunci când perechile de cvasiparticule care se propagă prin cristal stimulează crearea altor perechi printr-o reacție în lanț.

„Perechile de cvasiparticule călătoresc mai repede decât viteza fononilor și astfel fiecare pereche lasă în urmă o avalanșă de perechi nou formate – mai degrabă ca conul Mach generat în spatele unui avion cu reacție supersonic. În cele din urmă, toate acele perechi se ciocnesc unele de altele, ceea ce duce în cele din urmă la topirea cristalului.”

Cercetătorii spun că ar trebui să existe mult mai multe exemple de fenomene cuantice în alte sisteme clasice. „Simt că descoperirile noastre sunt doar vârful aisbergului”, spune Tlusty. „Dezvăluirea unor astfel de fenomene poate fi foarte utilă în avansarea înțelegerii modurilor emergente și a tranzițiilor de fază.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/