Kvazidelci se pojavljajo v klasičnem okolju, kar preseneča fizike

Raziskovalci so prvič opazili kvazidelce v klasičnem sistemu pri sobni temperaturi, s čimer so izpodbijali stališče, da lahko kvazidelci obstajajo samo v kvantni materiji. Odkritje, opravljeno v tankem tekočem kanalu, ki vsebuje tekoče mikrodelce, nakazuje, da bi lahko osnovne koncepte fizike kvantne snovi uporabili v klasičnih nastavitvah.

Delci v mnogih trdnih snoveh in tekočinah se znajdejo zelo blizu drug drugemu in zato močno medsebojno delujejo. Zaradi tega je takšne sisteme "več teles", kot jim pravijo, težko preučevati in razumeti. Leta 1941 je sovjetski fizik Lev Landau predlagal rešitev za to zapleteno situacijo: zakaj ne bi namesto tega razmišljali o kompleksni zamisli o močno medsebojno delujočih delcih, raje razmišljali o vzbujanju sistema?

"Če so ta vzbujanja lokalizirana in le redko trčijo med seboj, jih lahko obravnavamo kot 'učinkovite delce' s šibko interakcijo ali kvazidelce," pojasnjuje Tsvi Tlusty z Inštituta za osnovno znanost (IBS) v Koreji, ki je vodil novo študijo. "Landauov konceptualni preboj je bil izjemno koristen pri raziskavah kvantne snovi, saj je zagotovil vpogled v številne pojavne pojave, kot je združevanje elektronov v superprevodnosti in superfluidnosti ter nedavno tok elektronov v grafenu."

Preveč trkov

Do sedaj so kvazidelce obravnavali le kot kvantno-mehanske objekte. V klasični kondenzirani snovi je stopnja trka vzbujanja običajno previsoka, da bi omogočila dolgoživa vzbujanja, podobna delcem. »Naše ugotovitve so preboj, ker smo v nasprotju s to paradigmo opazili 'Diracove kvazidelce' v klasičnem hidrodinamičnem sistemu,« pravi Tlusty. Svet fizike.

V novem delu Tlusty skupaj s kolegom Hyuk Kyu Pak in študent Imran Saeed sta preučevala sklope mikrodelcev, ki jih poganja vodni tok v zelo tankem mikrofluidnem kanalu. Raziskovalci so ugotovili, da gibanje delcev moti tok vodnega toka, ki jih obdaja. Delci tako inducirajo drug na drugega hidrodinamične sile.

"Anti-Newtonovi" delci

»Nenavadno je, da so sile med dvema delcema 'anti-newtonske' – to pomeni, da so enake po velikosti in smeri v nasprotju z Newtonovim zakonom, ki pravi, da si morajo medsebojne sile nasprotovati,« pojasnjuje Tlusty. "Neposredna posledica te simetrije je nastanek stabilnih parov, ki tečejo skupaj z isto hitrostjo."

Rezultat nakazuje, da so pari klasični kvazidelci ali dolgožive vzbujanja v hidrodinamičnem sistemu. Raziskovalci so svojo hipotezo potrdili z analizo vibracij (ali fononov) v hidrodinamičnih dvodimenzionalnih kristalih, ki vsebujejo periodično niz tisočih delcev. Ugotovili so, da imajo fononi "Diracove stožce", podobno tistim, ki jih opazimo v grafenu (plast ogljika, debela samo en atom), v katerem se pojavijo pari delcev.

Diracovi stožci so kvantne značilnosti v elektronski pasovni strukturi 2D materiala, kjer se prevodni in valenčni pas srečata v eni točki na Fermijevem nivoju. Pasovi se tej točki približajo linearno, kar pomeni, da so efektivne kinetične energije prevodnih elektronov (in lukenj) neposredno sorazmerne z njihovimi momenti. To nenavadno razmerje je običajno vidno le pri fotonih, ki so brez mase, ker so energije elektronov in drugih delcev snovi pri nerelativističnih hitrostih običajno odvisne od kvadrata njihovih momentov. Posledica tega je, da se elektroni v Diracovih stožcih obnašajo, kot da so relativistični delci brez mase mirovanja, ki potujejo skozi material pri izjemno visokih hitrostih.

Močno povezani ravni pasovi

Ekipa IBS je opazila tudi "ploske pasove" - ​​še en kvantni pojav, v katerem energetski spekter elektronov vsebuje ultra-počasne fonone, ki so izjemno močno povezani. Ploščati pasovi so bili nedavno odkriti v dvoslojih grafena, zasukanih drug glede na drugega pod določenim kotom. Ti pasovi so elektronska stanja, v katerih ni razmerja med energijo in hitrostjo elektronov in so še posebej zanimivi za fizike, ker elektroni v njih postanejo »brez disperzije« – to pomeni, da je njihova kinetična energija potlačena. Ko se elektroni upočasnijo skoraj do ustavitve, se njihova efektivna masa približa neskončnosti, kar vodi do eksotičnih topoloških pojavov kot tudi do močno koreliranih stanj snovi, povezanih z visokotemperaturno superprevodnostjo, magnetizmom in drugimi kvantnimi lastnostmi trdnih snovi.

»Naši rezultati kažejo, da je nastajajoče kolektivne pojave – kot so kvazidelci in močno povezani ravni pasovi –, za katere se je doslej mislilo, da so omejeni na kvantne sisteme, mogoče opaziti v klasičnih okoljih, kot so kemični sistemi in celo živa snov,« pravi Tlusty. "Morda so ti pojavi veliko pogostejši, kot smo spoznali prej."

V van der Waalsovem magnetu se pojavi polsvetlobni kvazidelec polsnovi

Takšni pojavi lahko pomagajo razložiti različne kompleksne procese tudi v klasičnih sistemih, dodaja. »V tem delu, podrobno v Naravna fizika, pojasnjujemo neravnovesni prehod taljenja v hidrodinamičnem kristalu, ki smo ga preučevali, kot rezultat "plazovih kvazidelcev". Do teh pride, ko pari kvazidelcev, ki se širijo skozi kristal, z verižno reakcijo spodbudijo nastanek drugih parov.

»Pari kvazidelcev potujejo hitreje od hitrosti fononov in tako vsak par pusti za seboj plaz novonastalih parov – podobno kot Machov stožec, ki nastane za nadzvočnim reaktivnim letalom. Nazadnje vsi ti pari trčijo drug ob drugega, kar na koncu privede do taljenja kristala.«

Raziskovalci pravijo, da bi moralo biti v drugih klasičnih sistemih veliko več primerov kvantno podobnih pojavov. "Čutim, da so naše ugotovitve le vrh ledene gore," pravi Tlusty. "Razkrivanje takih pojavov je lahko zelo koristno pri napredovanju razumevanja nastajajočih načinov in faznih prehodov."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/