Quasiparticles ปรากฏในสภาพแวดล้อมแบบคลาสสิก นักฟิสิกส์ประหลาดใจ

นักวิจัยได้สังเกต quasiparticles ในระบบคลาสสิกที่อุณหภูมิห้องเป็นครั้งแรก ซึ่งท้าทายมุมมองที่ว่า quasiparticles สามารถมีอยู่ในสสารควอนตัมเท่านั้น การค้นพบนี้เกิดขึ้นในช่องของเหลวบาง ๆ ที่มีอนุภาคขนาดเล็กไหลอยู่ แสดงให้เห็นว่าแนวคิดพื้นฐานของฟิสิกส์สสารควอนตัมอาจใช้ได้กับการตั้งค่าแบบคลาสสิก

อนุภาคในของแข็งและของเหลวจำนวนมากพบว่าตัวเองอยู่ใกล้กันมากและมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างมาก สิ่งนี้ทำให้ระบบ "หลายร่างกาย" ดังกล่าวเรียกว่ายากต่อการศึกษาและทำความเข้าใจ ในปี 1941 นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Lev Landau ได้เสนอวิธีแก้ปัญหาสำหรับสถานการณ์ที่ซับซ้อนนี้: แทนที่จะพิจารณาแนวคิดที่ซับซ้อนของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรง ทำไมไม่ลองคิดถึงการกระตุ้นของระบบแทนล่ะ

“หากสิ่งเร้าเหล่านี้ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นและไม่ค่อยชนกัน เราอาจพิจารณาว่าสิ่งกระตุ้นเหล่านี้เป็น 'อนุภาคที่มีประสิทธิผล' หรือ quasiparticles ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน” อธิบาย ทีสวี ทูลัสตี้ ของสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐาน (IBS) ในเกาหลี ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษาครั้งใหม่นี้ “การพัฒนาแนวคิดของ Landau มีประโยชน์อย่างมากในการวิจัยสสารควอนตัม โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นใหม่มากมาย เช่น การจับคู่อิเล็กตรอนในตัวนำยิ่งยวดและของไหลยิ่งยวด และล่าสุดการไหลของอิเล็กตรอนในกราฟีน”

การชนกันมากเกินไป

จนถึงขณะนี้ quasiparticles ได้รับการพิจารณาว่าเป็นวัตถุเชิงกลเชิงควอนตัมเท่านั้น ในสสารควบแน่นแบบคลาสสิก อัตราการชนกันของการกระตุ้นโดยทั่วไปจะสูงเกินไปที่จะยอมให้มีการกระตุ้นแบบอนุภาคที่มีอายุยืนยาว “การค้นพบของเราถือเป็นความก้าวหน้า เพราะตรงกันข้ามกับกระบวนทัศน์นี้ เราสังเกตเห็น 'Dirac quasiparticles' ในระบบอุทกพลศาสตร์แบบดั้งเดิม” Tlusty กล่าว โลกฟิสิกส์.

ในงานใหม่ Tlusty ร่วมกับเพื่อนร่วมงาน ฮยอกยู่ปาก และนักศึกษาอิมราน ซาอีด ศึกษาชุดของอนุภาคขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนโดยการไหลของน้ำในช่องไมโครฟลูอิดิกที่บางมาก นักวิจัยพบว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาครบกวนการไหลของน้ำที่อยู่รอบๆ อนุภาคจึงเหนี่ยวนำให้เกิดแรงอุทกพลศาสตร์ซึ่งกันและกัน

อนุภาคต่อต้านนิวตัน

“โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แรงระหว่างสองอนุภาคนั้น 'ต่อต้านนิวตัน' นั่นคือพวกมันมีขนาดและทิศทางเท่ากันซึ่งตรงกันข้ามกับกฎของนิวตัน ซึ่งระบุว่าแรงร่วมกันควรจะต่อต้านซึ่งกันและกัน” Tlusty อธิบาย “ผลที่ตามมาในทันทีของสมมาตรนี้คือการเกิดคู่ที่เสถียรซึ่งไหลมารวมกันด้วยความเร็วเท่ากัน”

ผลลัพธ์บ่งบอกว่าทั้งคู่เป็นอนุภาคควอซิพัทเทอร์แบบคลาสสิก หรือการกระตุ้นที่มีอายุการใช้งานยาวนานในระบบอุทกพลศาสตร์ นักวิจัยได้ยืนยันสมมติฐานของพวกเขาโดยการวิเคราะห์การสั่นสะเทือน (หรือโฟนอน) ในผลึกสองมิติแบบอุทกพลศาสตร์ที่มีอนุภาคหลายพันเรียงเป็นระยะ พวกเขาพบว่าโฟนอนแสดง "ไดแรคโคน" เช่นเดียวกับที่พบในกราฟีน (แผ่นคาร์บอนหนาเพียงหนึ่งอะตอม) ซึ่งมีอนุภาคคู่หนึ่งโผล่ออกมา

Dirac cones เป็นคุณสมบัติเชิงควอนตัมในโครงสร้างแถบอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ 2 มิติ ซึ่งแถบการนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์มาบรรจบกันในจุดเดียวที่ระดับ Fermi แถบเข้าใกล้จุดนี้ในลักษณะเชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าพลังงานจลน์ที่มีประสิทธิภาพของอิเล็กตรอนการนำไฟฟ้า (และโฮล) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับโมเมนตาของพวกมัน โดยปกติแล้วความสัมพันธ์ที่ผิดปกตินี้จะเห็นได้เฉพาะกับโฟตอนที่ไม่มีมวลเท่านั้น เนื่องจากพลังงานของอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ ของสสารที่ความเร็วไม่สัมพัทธภาพมักขึ้นอยู่กับกำลังสองของโมเมนต์ ผลที่ได้คืออิเล็กตรอนในกรวยไดแรคมีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันเป็นอนุภาคเชิงสัมพัทธภาพที่ไม่มีมวล เคลื่อนที่ผ่านวัสดุด้วยความเร็วสูงมาก

แถบแบนที่สัมพันธ์กันอย่างมาก

ทีมงาน IBS ยังได้สังเกต "แถบแบน" ซึ่งเป็นอีกปรากฏการณ์ควอนตัมที่สเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนประกอบด้วยโฟนอนที่ช้ามากซึ่งมีความสัมพันธ์กันอย่างมาก เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการค้นพบแถบแบนใน bilayers ของกราฟีนที่บิดด้วยความเคารพซึ่งกันและกันในมุมหนึ่ง แถบเหล่านี้เป็นสถานะของอิเล็กตรอนซึ่งไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและความเร็วของอิเล็กตรอน และพวกมันน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับนักฟิสิกส์เพราะอิเล็กตรอนจะ "ไม่กระจายตัว" ในพวกมัน นั่นคือพลังงานจลน์ของพวกมันถูกระงับ เมื่ออิเล็กตรอนลดความเร็วลงจนเกือบจะหยุดนิ่ง มวลที่มีประสิทธิภาพของพวกมันเข้าใกล้อนันต์ นำไปสู่ปรากฏการณ์เชิงทอพอโลยีที่แปลกใหม่ เช่นเดียวกับสถานะของสสารที่สัมพันธ์กันอย่างมากซึ่งเกี่ยวข้องกับตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง อำนาจแม่เหล็ก และคุณสมบัติทางควอนตัมอื่นๆ ของของแข็ง

“ผลลัพธ์ของเราชี้ให้เห็นว่าปรากฏการณ์การรวมตัวที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น quasiparticles และแถบแบนที่สัมพันธ์กันอย่างมาก ซึ่งจนถึงขณะนี้เคยคิดว่าถูกจำกัดอยู่เฉพาะในระบบควอนตัมเท่านั้น อาจพบได้ในการตั้งค่าแบบคลาสสิก เช่น ระบบเคมีและแม้แต่สิ่งมีชีวิต” Tlusty กล่าว "บางทีปรากฏการณ์เหล่านี้อาจเป็นเรื่องธรรมดามากที่เราเคยรับรู้มาก่อน"

ควอซิพิเคิลครึ่งแสงครึ่งสสารปรากฏในแม่เหล็กแวนเดอร์วาลส์

ปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจช่วยอธิบายกระบวนการที่ซับซ้อนต่างๆ ในระบบดั้งเดิมได้เช่นกัน เขากล่าวเสริม “ในงานนี้มีรายละเอียดใน ฟิสิกส์ธรรมชาติเราอธิบายการเปลี่ยนแปลงการหลอมเหลวที่ไม่สมดุลในผลึกอุทกพลศาสตร์ที่เราศึกษาว่าเป็นผลมาจาก 'quasiparticle avalanches' สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อคู่ของ quasiparticles แพร่กระจายแม้ว่าคริสตัลจะกระตุ้นการสร้างคู่อื่น ๆ ผ่านปฏิกิริยาลูกโซ่

“quasiparticles คู่เดินทางเร็วกว่าความเร็วของ phonons ดังนั้นทุกคู่จึงทิ้งคู่ที่เพิ่งสร้างใหม่อย่างถล่มทลาย – ค่อนข้างเหมือนกับ Mach cone ที่สร้างขึ้นหลังเครื่องบินเจ็ตที่มีความเร็วเหนือเสียง ในที่สุดทุกคู่เหล่านั้นชนกันซึ่งนำไปสู่การหลอมละลายของคริสตัลในที่สุด”

นักวิจัยกล่าวว่าควรมีตัวอย่างปรากฏการณ์ควอนตัมในระบบคลาสสิกอื่น ๆ อีกมากมาย “ฉันรู้สึกว่าการค้นพบของเราเป็นเพียงยอดภูเขาน้ำแข็งเท่านั้น” Tlusty กล่าว "การเปิดเผยปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจเป็นประโยชน์อย่างมากในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับโหมดฉุกเฉินและการเปลี่ยนเฟส"

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/