Quasiparticles klasik bir ortamda ortaya çıkıyor, şaşırtıcı fizikçiler

Araştırmacılar, kuasipartiküllerin yalnızca kuantum maddede var olabileceği görüşüne meydan okuyarak, oda sıcaklığında ilk kez klasik bir sistemdeki kuasipartikülleri gözlemlediler. Akan mikropartiküller içeren ince bir akışkan kanalda yapılan keşif, kuantum madde fiziğinin temel kavramlarının klasik ayarlara uygulanabileceğini öne sürüyor.

Birçok katı ve sıvıdaki parçacıklar kendilerini birbirine çok yakın bulurlar ve bu nedenle güçlü bir şekilde etkileşime girerler. Bu, bu tür "çok cisimli" sistemlerin çalışılmasını ve anlaşılmasını zorlaştırıyor. 1941'de Sovyet fizikçisi Lev Landau bu karmaşık duruma bir çözüm öne sürdü: Güçlü etkileşime giren parçacıklara ilişkin karmaşık fikri düşünmek yerine neden sistemin uyarımlarını düşünmüyoruz?

"Eğer bu uyarımlar lokalizeyse ve nadiren birbiriyle çarpışırsa, onları zayıf etkileşen 'etkin parçacıklar' veya yarı parçacıklar olarak kabul edebiliriz" diye açıklıyor. Tsvi Tlusty Yeni çalışmayı yöneten Kore'deki Temel Bilimler Enstitüsü'nden (IBS). "Landau'nun kavramsal atılımı, süperiletkenlik ve süperakışkanlıkta elektron eşleşmesi ve son zamanlarda grafende elektron akışı gibi ortaya çıkan birçok fenomen hakkında fikir vererek kuantum madde araştırmalarında son derece yararlı oldu."

Çok fazla çarpışma

Şimdiye kadar, yarı parçacıklar yalnızca kuantum-mekanik nesneler olarak kabul edildi. Klasik yoğun maddede, uyarımların çarpışma hızı tipik olarak uzun ömürlü parçacık benzeri uyarımlara izin vermeyecek kadar yüksektir. Tlusty, "Bulgularımız bir çığır açıcı çünkü bu paradigmanın aksine, klasik bir hidrodinamik sistemde 'Dirac kuasipartiküllerini' gözlemledik" diyor. Fizik dünyası.

Yeni çalışmada Tlusty, meslektaşı ile birlikte Hyuk Kyu Pak ve öğrenci Imran Saeed, çok ince bir mikroakışkan kanalda su akışı tarafından yönlendirilen mikropartikül topluluklarını inceledi. Araştırmacılar, parçacıkların hareketinin, onları çevreleyen su akışının akış çizgilerini bozduğunu buldular. Parçacıklar böylece birbirleri üzerinde hidrodinamik kuvvetler oluşturur.

“Newton karşıtı” parçacıklar

Tlusty, "Tuhaf bir şekilde, iki parçacık arasındaki kuvvetler 'anti-Newtoncu'dur - yani, karşılıklı kuvvetlerin birbirine karşı çıkması gerektiğini belirten Newton yasasının aksine, büyüklük ve yön bakımından eşittirler," diye açıklıyor Tlusty. "Bu simetrinin hemen sonucu, aynı hızda birlikte akan kararlı çiftlerin ortaya çıkmasıdır."

Sonuç, çiftlerin klasik yarı parçacıklar veya hidrodinamik sistemdeki uzun ömürlü uyarımlar olduğunu ima eder. Araştırmacılar, binlerce parçacıktan oluşan periyodik bir dizi içeren hidrodinamik iki boyutlu kristallerdeki titreşimleri (veya fononları) analiz ederek hipotezlerini doğruladılar. Fononların, içinde parçacık çiftlerinin ortaya çıktığı grafende (yalnızca bir atom kalınlığında bir karbon tabakası) gözlemlenenlere çok benzeyen “Dirac konileri” sergilediğini buldular.

Dirac konileri, iletim ve değerlik bantlarının Fermi seviyesinde tek bir noktada buluştuğu 2 boyutlu bir malzemenin elektronik bant yapısındaki kuantum özellikleridir. Bantlar bu noktaya doğrusal bir şekilde yaklaşır, bu da iletim elektronlarının (ve deliklerin) etkin kinetik enerjilerinin momentumlarıyla doğru orantılı olduğu anlamına gelir. Bu alışılmadık ilişki normalde sadece kütlesiz olan fotonlar için görülür, çünkü göreli olmayan hızlarda elektronların ve diğer madde parçacıklarının enerjileri genellikle momentumlarının karesine bağlıdır. Sonuç olarak, Dirac konilerindeki elektronlar, malzeme içinde son derece yüksek hızlarda hareket eden, durağan kütlesi olmayan göreli parçacıklar gibi davranırlar.

Kuvvetle ilişkili düz bantlar

IBS ekibi ayrıca, elektron enerji spektrumunun son derece güçlü bir şekilde ilişkili olan ultra yavaş fononlar içerdiği başka bir kuantum olgusu olan "düz bantları" da gözlemledi. Yakın zamanda birbirine göre belirli bir açıyla bükülmüş çift grafen katmanlarında düz bantlar keşfedildi. Bu bantlar, elektronların enerjisi ve hızı arasında hiçbir ilişkinin olmadığı elektron durumlarıdır ve fizikçiler için özellikle ilgi çekicidir çünkü elektronlar bu bantlarda “dağılımsız” hale gelir, yani kinetik enerjileri bastırılır. Elektronlar neredeyse durma noktasına kadar yavaşladıkça, etkin kütleleri sonsuza yaklaşarak egzotik topolojik olayların yanı sıra yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik, manyetizma ve katıların diğer kuantum özellikleriyle ilişkili maddenin güçlü bir şekilde ilişkili durumlarına yol açar.

Tlusty, "Sonuçlarımız, şimdiye kadar kuantum sistemleriyle sınırlı olduğu düşünülen kuasipartiküller ve güçlü bir şekilde ilişkili düz bantlar gibi ortaya çıkan toplu fenomenlerin, kimyasal sistemler ve hatta canlı madde gibi klasik ortamlarda gözlemlenebileceğini gösteriyor" diyor. "Belki de bu fenomenler daha önce fark ettiğimizden çok daha yaygın."

Bir van der Waals mıknatısında yarı hafif, yarı madde yarı parçacık görünür

Bu tür fenomenler, klasik sistemlerdeki çeşitli karmaşık süreçleri açıklamaya da yardımcı olabilir, diye ekliyor. “Bu çalışmada detaylı olarak Doğa Fiziği, incelediğimiz hidrodinamik kristaldeki denge dışı erime geçişini 'yarı parçacık çığlarının' sonucu olarak açıklıyoruz. Bunlar, kristalde yayılan yarı parçacık çiftleri, bir zincirleme reaksiyon yoluyla diğer çiftlerin oluşumunu uyardığında meydana gelir.

"Kuasipartikül çiftleri, fononların hızından daha hızlı hareket eder ve bu nedenle her çift, arkasında yeni oluşan çiftlerden oluşan bir çığ bırakır - tıpkı süpersonik bir jet uçağının arkasında üretilen Mach konisi gibi. Son olarak, tüm bu çiftler birbiriyle çarpışır ve bu da sonunda kristalin erimesine yol açar.”

Araştırmacılar, diğer klasik sistemlerde daha birçok kuantum benzeri fenomen örneği olması gerektiğini söylüyor. Tlusty, "Bulgularımızın buzdağının yalnızca görünen kısmı olduğunu hissediyorum" diyor. "Bu tür fenomenleri ortaya çıkarmak, ortaya çıkan modların ve faz geçişlerinin anlaşılmasını ilerletmede çok yararlı olabilir."

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• Plato blok zinciri. Web3 Metaverse Zekası. Bilgi Güçlendirildi. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/