Квазичастицы появляются в классической обстановке, удивляя физиков

Исследователи впервые наблюдали квазичастицы в классической системе при комнатной температуре, оспаривая представление о том, что квазичастицы могут существовать только в квантовой материи. Открытие, сделанное в тонком жидкостном канале, содержащем движущиеся микрочастицы, предполагает, что основные концепции квантовой физики материи могут быть применимы к классическим условиям.

The particles in many solids and liquids find themselves very close to each other and therefore strongly interact. This makes such “many-body” systems, as they are called, difficult to study and understand. In 1941 the Soviet physicist Lev Landau put forward a solution to this complicated situation: instead of considering the complex idea of strongly interacting particles, why not instead think instead about the excitations of the system?

«Если эти возбуждения локализованы и редко сталкиваются друг с другом, мы можем рассматривать их как слабо взаимодействующие «эффективные частицы» или квазичастицы», — объясняет Цви Тласты из Института фундаментальных наук (IBS) в Корее, который руководил новым исследованием. «Концептуальный прорыв Ландау оказался чрезвычайно полезным в исследованиях квантовой материи, позволив понять многие возникающие явления, такие как спаривание электронов в сверхпроводимости и сверхтекучести, а в последнее время — поток электронов в графене».

Слишком много столкновений

До сих пор квазичастицы рассматривались только как квантово-механические объекты. В классической конденсированной среде частота столкновений возбуждений обычно слишком высока, чтобы допустить долгоживущие возбуждения, подобные частицам. «Наши результаты являются прорывом, потому что, в отличие от этой парадигмы, мы наблюдали «квазичастицы Дирака» в классической гидродинамической системе», — говорит Тласти. Мир физики.

В новой работе Тласти вместе с коллегой Хёк Кю Пак и студент Имран Саид изучал ансамбли микрочастиц, приводимых в движение потоком воды в очень тонком микрожидкостном канале. Исследователи обнаружили, что движение частиц возмущает линии тока окружающего их водного потока. Таким образом, частицы индуцируют друг на друга гидродинамические силы.

«антиньютоновские» частицы

«В особенности силы между двумя частицами являются «антиньютоновскими» — то есть они равны по величине и направлению, в отличие от закона Ньютона, который гласит, что взаимные силы должны противодействовать друг другу», — объясняет Тласти. «Непосредственным следствием этой симметрии является появление стабильных пар, которые текут вместе с одинаковой скоростью».

Результат означает, что пары являются классическими квазичастицами или долгоживущими возбуждениями в гидродинамической системе. Исследователи подтвердили свою гипотезу, проанализировав колебания (или фононы) в гидродинамических двумерных кристаллах, содержащих периодический массив из тысяч частиц. Они обнаружили, что фононы демонстрируют «конусы Дирака», очень похожие на те, которые наблюдаются в графене (лист углерода толщиной всего в один атом), в котором возникают пары частиц.

Конусы Дирака — это квантовые особенности электронной зонной структуры двумерного материала, в которых зоны проводимости и валентная зона встречаются в одной точке на уровне Ферми. Полосы подходят к этой точке линейно, что означает, что эффективные кинетические энергии электронов проводимости (и дырок) прямо пропорциональны их импульсам. Это необычное соотношение обычно наблюдается только для фотонов, которые не имеют массы, потому что энергии электронов и других частиц материи при нерелятивистских скоростях обычно зависят от квадрата их импульсов. В результате электроны в конусах Дирака ведут себя так, как если бы они были релятивистскими частицами без массы покоя, путешествующими через материал с чрезвычайно высокими скоростями.

Сильно коррелированные плоские полосы

The IBS team also observed “flat bands” – another quantum phenomenon in which the electron energy spectrum contains ultra-slow phonons that are correlated extremely strongly. Flat bands were recently discovered in bilayers of graphene twisted with respect to each other at a certain angle. These bands are electron states in which there is no relationship between the electrons’ energy and velocity and they are especially interesting for physicists because electrons become “dispersionless” in them – that is, their kinetic energy is suppressed. As the electrons slow down almost to a stop, their effective mass approaches infinity, leading to exotic topological phenomena as well as strongly correlated states of matter associated with high-temperature superconductivity, magnetism and other quantum properties of solids.

«Наши результаты показывают, что возникающие коллективные явления, такие как квазичастицы и сильно коррелированные плоские полосы, которые до сих пор считались ограниченными квантовыми системами, могут наблюдаться в классических условиях, таких как химические системы и даже живая материя», — говорит Тласти. «Возможно, эти явления гораздо более распространены, чем мы осознавали раньше».

Квазичастица полусвета, полуматерии появляется в магните Ван-дер-Ваальса

Такие явления могут помочь объяснить различные сложные процессы и в классических системах, добавляет он. «В этой работе, подробно описанной в Физика природы, мы объясняем неравновесный переход плавления в исследованном нами гидродинамическом кристалле как результат «квазичастичных лавин». Это происходит, когда пары квазичастиц, распространяющиеся по кристаллу, стимулируют создание других пар посредством цепной реакции.

«Пары квазичастиц движутся быстрее, чем скорость фононов, и поэтому каждая пара оставляет после себя лавину вновь образованных пар — подобно конусу Маха, генерируемому за сверхзвуковым реактивным самолетом. Наконец, все эти пары сталкиваются друг с другом, что в конечном итоге приводит к плавлению кристалла».

Исследователи говорят, что в других классических системах должно быть гораздо больше примеров квантовоподобных явлений. «Я чувствую, что наши выводы — это только верхушка айсберга, — говорит Тласти. «Выявление таких явлений может быть очень полезным для понимания возникающих режимов и фазовых переходов».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/