Квазічастинки з'являються в класичній обстановці, дивуючи фізиків

Дослідники вперше спостерігали квазічастинки в класичній системі при кімнатній температурі, поставивши під сумнів думку про те, що квазічастинки можуть існувати лише в квантовій матерії. Відкриття, зроблене в тонкому рідинному каналі, що містить течучі мікрочастинки, свідчить про те, що основні концепції квантової фізики матерії можуть бути застосовні до класичних умов.

Частинки в багатьох твердих тілах і рідинах знаходяться дуже близько одна до одної і тому сильно взаємодіють. Це робить такі системи «багатьох тіл», як їх називають, складними для вивчення та розуміння. У 1941 році радянський фізик Лев Ландау запропонував вирішення цієї складної ситуації: замість того, щоб розглядати складну ідею сильно взаємодіючих частинок, чому б замість цього не подумати про збудження системи?

«Якщо ці збудження локалізовані й рідко стикаються одне з одним, ми можемо розглядати їх як слабко взаємодіючі «ефективні частинки» або квазічастинки», — пояснює Цві Тлустий з Інституту фундаментальних наук (IBS) у Кореї, який керував новим дослідженням. «Концептуальний прорив Ландау був надзвичайно корисним у дослідженні квантової матерії, надаючи розуміння багатьох нових явищ, таких як утворення електронних пар у надпровідності та надтекучості, а нещодавно — потік електронів у графені».

Забагато зіткнень

До цього часу квазічастинки розглядалися лише як квантово-механічні об'єкти. У класичному конденсованому середовищі швидкість зіткнень збуджень, як правило, занадто висока, щоб дозволити довгоживучі частинкоподібні збудження. «Наші відкриття є проривом, оскільки, на відміну від цієї парадигми, ми спостерігали «квазічастинки Дірака» в класичній гідродинамічній системі», — розповідає Тлусті. Світ фізики.

У новій роботі Тлустий разом із колегою Хюк Кю Пак і студент Імран Саїд вивчали ансамблі мікрочастинок, що рухаються потоком води в дуже тонкому мікрофлюїдному каналі. Дослідники виявили, що рух частинок збурює потоки води, що їх оточує. Таким чином, частинки викликають гідродинамічні сили одна в одної.

«Антиньютонівські» частинки

«Особливо те, що сили між двома частинками є «антиньютонівськими», тобто вони рівні за величиною та напрямком на відміну від закону Ньютона, який стверджує, що взаємні сили повинні протидіяти одна одній», — пояснює Тлусті. «Безпосереднім наслідком цієї симетрії є поява стабільних пар, які течуть разом з однаковою швидкістю».

Результат означає, що пари є класичними квазічастинками, або довгоживучими збудженнями в гідродинамічній системі. Дослідники підтвердили свою гіпотезу, проаналізувавши коливання (або фонони) у гідродинамічних двовимірних кристалах, що містять періодичний масив із тисяч частинок. Вони виявили, що фонони демонструють «конуси Дірака», схожі на ті, що спостерігаються в графені (пласт вуглецю товщиною всього в один атом), у якому виникають пари частинок.

Конуси Дірака — це квантові особливості електронної зонної структури двовимірного матеріалу, де зони провідності та валентна зона зустрічаються в одній точці на рівні Фермі. Смуги наближаються до цієї точки лінійним чином, що означає, що ефективні кінетичні енергії електронів провідності (і дірок) прямо пропорційні їх імпульсам. Це незвичайне співвідношення зазвичай спостерігається лише для фотонів, які є безмасовими, оскільки енергії електронів та інших частинок речовини при нерелятивістських швидкостях зазвичай залежать від квадрата їх імпульсів. Результатом є те, що електрони в конусах Дірака поводяться так, ніби вони є релятивістськими частинками без маси спокою, які рухаються крізь матеріал на надзвичайно високих швидкостях.

Сильно корельовані плоскі смуги

Команда IBS також спостерігала «плоскі смуги» — ще одне квантове явище, в якому енергетичний спектр електронів містить надповільні фонони, які дуже сильно корельовані. Нещодавно в бішарах графену були виявлені плоскі смуги, закручені один відносно одного під певним кутом. Ці смуги являють собою електронні стани, в яких немає зв’язку між енергією та швидкістю електронів, і вони особливо цікаві для фізиків, оскільки в них електрони стають «бездисперсійними» – тобто їхня кінетична енергія пригнічується. Оскільки електрони сповільнюються майже до повної зупинки, їх ефективна маса наближається до нескінченності, що призводить до екзотичних топологічних явищ, а також сильно корельованих станів матерії, пов’язаних із високотемпературною надпровідністю, магнетизмом та іншими квантовими властивостями твердих тіл.

«Наші результати свідчать про те, що нові колективні явища, такі як квазічастинки та сильно корельовані плоскі смуги, які досі вважалися обмеженими квантовими системами, можуть спостерігатися в класичних умовах, таких як хімічні системи та навіть жива матерія», — говорить Тлусті. «Можливо, ці явища набагато більш поширені, ніж ми усвідомлювали раніше».

У магніті Ван-дер-Ваальса з'являється напівсвітла квазічастинка напівматерії

Такі явища також можуть допомогти пояснити різні складні процеси в класичних системах, додає він. «У цій роботі, детально в Фізика природи, ми пояснюємо нерівноважний перехід плавлення в гідродинамічному кристалі, який ми вивчали, як результат «лавин квазічастинок». Це відбувається, коли пари квазічастинок, що поширюються через кристал, стимулюють створення інших пар через ланцюгову реакцію.

«Пари квазічастинок рухаються швидше, ніж швидкість фононів, і, отже, кожна пара залишає за собою лавину новоутворених пар — схоже на конус Маха, який створюється за надзвуковим реактивним літаком. Нарешті, всі ці пари стикаються одна з одною, що зрештою призводить до плавлення кристала».

Дослідники кажуть, що в інших класичних системах має бути набагато більше прикладів квантовоподібних явищ. «Я вважаю, що наші висновки — лише верхівка айсберга», — каже Тлусті. «Виявлення таких явищ може бути дуже корисним для просування розуміння емерджентних режимів і фазових переходів».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-appear-in-a-classical-setting-surprising-physicists/