Kvasipartiklar uppträder i en klassisk miljö, överraskande fysiker

Forskare har observerat kvasipartiklar i ett klassiskt system vid rumstemperatur för första gången, vilket utmanar uppfattningen att kvasipartiklar bara kan existera i kvantmateria. Upptäckten, gjord i en tunn vätskekanal som innehåller strömmande mikropartiklar, tyder på att de grundläggande begreppen i kvantmateriens fysik kan vara tillämpliga på klassiska miljöer.

Partiklarna i många fasta ämnen och vätskor befinner sig mycket nära varandra och interagerar därför starkt. Detta gör sådana "mångakropps"-system, som de kallas, svåra att studera och förstå. 1941 lade den sovjetiske fysikern Lev Landau fram en lösning på denna komplicerade situation: istället för att överväga den komplexa idén om starkt interagerande partiklar, varför inte istället tänka på systemets excitationer?

"Om dessa excitationer är lokaliserade och sällan kolliderar med varandra, kan vi betrakta dem som svagt interagerande 'effektiva partiklar' eller kvasipartiklar", förklarar Tsvi Tlusty från Institute for Basic Science (IBS) i Korea, som ledde den nya studien. "Landaus konceptuella genombrott har varit oerhört användbart inom kvantmateriaforskning, och gett insikt i många framväxande fenomen, såsom elektronparning i supraledning och superfluiditet, och nyligen elektronflöde i grafen."

För många kollisioner

Fram till nu har kvasipartiklar bara betraktats som kvantmekaniska objekt. I klassisk kondenserad materia är kollisionshastigheten för excitationer vanligtvis alldeles för hög för att möjliggöra långlivade partikelliknande excitationer. "Våra fynd är ett genombrott eftersom vi, i motsats till detta paradigm, observerade "Dirac-kvasipartiklar" i ett klassiskt hydrodynamiskt system, säger Tlusty Fysikvärlden.

I det nya arbetet, Tlusty tillsammans med kollega Hyuk Kyu Pak och studenten Imran Saeed studerade ensembler av mikropartiklar som drivs av vattenflöde i en mycket tunn mikrofluidisk kanal. Forskarna fann att partiklarnas rörelse stör strömlinjerna i vattenflödet som omger dem. Partiklarna inducerar alltså hydrodynamiska krafter på varandra.

"Anti-Newtonska" partiklar

"Särskilt är krafterna mellan två partiklar "anti-newtonska" - det vill säga de är lika stora i storlek och riktning i motsats till Newtons lag, som säger att de ömsesidiga krafterna ska stå emot varandra", förklarar Tlusty. "Den omedelbara konsekvensen av denna symmetri är uppkomsten av stabila par som flyter ihop med samma hastighet."

Resultatet antyder att paren är klassiska kvasipartiklar, eller långlivade excitationer i det hydrodynamiska systemet. Forskarna bekräftade sin hypotes genom att analysera vibrationerna (eller fononerna) i hydrodynamiska tvådimensionella kristaller som innehåller en periodisk uppsättning av tusentals partiklar. De fann att fononerna uppvisar "Dirac-koner", ungefär som de som observeras i grafen (ett ark av kol bara en atom tjockt) i vilka par av partiklar kommer fram.

Dirac-koner är kvantfunktioner i den elektroniska bandstrukturen i ett 2D-material där lednings- och valensbanden möts i en enda punkt på Fermi-nivån. Banden närmar sig denna punkt på ett linjärt sätt, vilket innebär att de effektiva kinetiska energierna för ledningselektronerna (och hålen) är direkt proportionella mot deras momenta. Detta ovanliga förhållande ses normalt bara för fotoner, som är masslösa, eftersom energierna hos elektroner och andra partiklar av materia vid icke-relativistiska hastigheter vanligtvis beror på kvadraten av deras momenta. Resultatet är att elektronerna i Dirac-koner beter sig som om de vore relativistiska partiklar utan vilomassa, som färdas genom materialet med extremt höga hastigheter.

Starkt korrelerade platta band

IBS-teamet observerade också "platta band" - ett annat kvantfenomen där elektronenergispektrumet innehåller ultralångsamma fononer som är extremt starkt korrelerade. Platta band upptäcktes nyligen i tvåskikt av grafen vridna i förhållande till varandra i en viss vinkel. Dessa band är elektrontillstånd där det inte finns något samband mellan elektronernas energi och hastighet och de är särskilt intressanta för fysiker eftersom elektroner blir "spridningsfria" i dem – det vill säga deras kinetiska energi undertrycks. När elektronerna saktar ner nästan till stopp, närmar sig deras effektiva massa oändligheten, vilket leder till exotiska topologiska fenomen såväl som starkt korrelerade tillstånd av materia associerade med högtemperatursupraledning, magnetism och andra kvantegenskaper hos fasta ämnen.

"Våra resultat tyder på att framväxande kollektiva fenomen - som kvasipartiklar och starkt korrelerade platta band - som hittills ansågs vara begränsade till kvantsystem kan observeras i klassiska miljöer, som kemiska system och till och med levande materia," säger Tlusty. "Kanske är dessa fenomen mycket vanligare än vi insåg tidigare."

Halv-lätt, halv-materia kvasipartikel visas i en van der Waals-magnet

Sådana fenomen kan hjälpa till att förklara olika komplexa processer även i klassiska system, tillägger han. "I detta arbete, detaljerat i Naturfysik, förklarar vi smältövergången i icke-jämvikt i den hydrodynamiska kristallen vi studerade som ett resultat av "kvasipartikellaviner". Dessa uppstår när paren av kvasipartiklar som fortplantar sig genom kristallen stimulerar skapandet av andra par genom en kedjereaktion.

"Kvasipartikelparen färdas snabbare än fononernas hastighet och därför lämnar varje par efter sig en lavin av nybildade par - snarare som Mach-konen som genereras bakom ett överljuds jetplan. Till slut kolliderar alla dessa par med varandra, vilket så småningom leder till att kristallen smälter."

Forskarna säger att det borde finnas många fler exempel på kvantliknande fenomen i andra klassiska system. "Jag känner att våra fynd bara är toppen av ett isberg", säger Tlusty. "Att avslöja sådana fenomen kan vara mycket användbart för att främja förståelsen av framväxande lägen och fasövergångar."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/