Quasiparticles xuất hiện trong một khung cảnh cổ điển, các nhà vật lý ngạc nhiên

Quasiparticles xuất hiện trong một khung cảnh cổ điển, các nhà vật lý ngạc nhiên

Dấu thời gian: ngày 23 tháng 2023 năm 5 14:XNUMX sáng

Phép đo thực nghiệm của các hạt keo tạo thành các cặp liên kết thủy động, ổn định di chuyển với cùng vận tốc trong một kênh vi lỏng mỏng
Quasiparticles trong một hệ thống cổ điển. (Được phép: Viện Khoa học Cơ bản)

Các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên quan sát được các quasiparticle trong một hệ thống cổ điển ở nhiệt độ phòng, thách thức quan điểm cho rằng các quasiparticle chỉ có thể tồn tại trong vật chất lượng tử. Khám phá, được thực hiện trong một kênh chất lỏng mỏng chứa các vi hạt đang chảy, gợi ý rằng các khái niệm cơ bản của vật lý vật chất lượng tử có thể áp dụng được cho các bối cảnh cổ điển.

Các hạt trong nhiều chất rắn và chất lỏng thấy chúng rất gần nhau và do đó tương tác mạnh mẽ. Điều này làm cho những hệ thống “nhiều vật thể” như chúng được gọi, khó nghiên cứu và hiểu được. Năm 1941, nhà vật lý Liên Xô Lev Landau đã đưa ra một giải pháp cho tình huống phức tạp này: thay vì xem xét ý tưởng phức tạp về các hạt tương tác mạnh, tại sao không thay vào đó lại nghĩ đến sự kích thích của hệ thống?

“Nếu những kích thích này được định vị và hiếm khi va chạm với nhau, thì chúng ta có thể coi chúng là những 'hạt hiệu quả' hoặc quasiparticle tương tác yếu,” giải thích Tsvi Tlusty của Viện Khoa học Cơ bản (IBS) tại Hàn Quốc, người đứng đầu nghiên cứu mới. “Bước đột phá về khái niệm của Landau đã vô cùng hữu ích trong nghiên cứu vật chất lượng tử, cung cấp cái nhìn sâu sắc về nhiều hiện tượng mới nổi, chẳng hạn như sự ghép cặp electron trong tính siêu dẫn và tính siêu chảy, và gần đây là dòng electron trong graphene.”

Quá nhiều va chạm

Cho đến nay, giả hạt chỉ được coi là vật thể cơ học lượng tử. Trong vật chất ngưng tụ cổ điển, tốc độ va chạm của các kích thích thường quá cao để cho phép các kích thích giống như hạt tồn tại lâu dài. Tlusty nói: “Phát hiện của chúng tôi là một bước đột phá bởi vì trái ngược với mô hình này, chúng tôi đã quan sát thấy 'quasiparticles Dirac' trong một hệ thống thủy động lực học cổ điển. Thế giới vật lý.

Trong tác phẩm mới, Tlusty cùng đồng nghiệp Hyuk Kyu Pak và sinh viên Imran Saeed đã nghiên cứu tập hợp các vi hạt được điều khiển bởi dòng nước trong một kênh vi lỏng rất mỏng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng chuyển động của các hạt làm nhiễu loạn dòng chảy của nước xung quanh chúng. Do đó, các hạt tạo ra các lực thủy động lực học lên nhau.

Hạt “phản Newton”

Tlusty giải thích: “Đặc biệt, các lực giữa hai hạt là 'phản Newton' - nghĩa là chúng bằng nhau về độ lớn và hướng trái ngược với định luật Newton, định luật phát biểu rằng các lực tương hỗ phải chống lại nhau. “Hậu quả tức thì của sự đối xứng này là sự xuất hiện của các cặp ổn định chảy cùng nhau với cùng vận tốc.”

Kết quả ngụ ý rằng các cặp này là các chuẩn tinh cổ điển, hoặc các kích thích tồn tại lâu dài trong hệ thống thủy động lực học. Các nhà nghiên cứu đã xác nhận giả thuyết của họ bằng cách phân tích các rung động (hoặc phonon) trong các tinh thể hai chiều thủy động lực học chứa một dãy hàng nghìn hạt tuần hoàn. Họ phát hiện ra rằng các phonon thể hiện “hình nón Dirac”, giống như những gì được quan sát thấy trong graphene (một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử) trong đó các cặp hạt xuất hiện.

Nón Dirac là các tính năng lượng tử trong cấu trúc dải điện tử của vật liệu 2D trong đó các dải dẫn và dải hóa trị gặp nhau tại một điểm duy nhất ở cấp độ Fermi. Các dải tiếp cận điểm này theo cách tuyến tính, nghĩa là động năng hiệu dụng của các electron dẫn (và lỗ trống) tỷ lệ thuận với xung lượng của chúng. Mối quan hệ bất thường này thường chỉ được thấy đối với các photon, không có khối lượng, bởi vì năng lượng của các electron và các hạt vật chất khác ở vận tốc phi tương đối tính thường phụ thuộc vào bình phương động lượng của chúng. Kết quả là các electron trong hình nón Dirac hoạt động như thể chúng là các hạt tương đối tính không có khối lượng nghỉ, di chuyển qua vật liệu với tốc độ cực cao.

Các dải phẳng tương quan mạnh

Đội IBS còn quan sát thấy “các dải phẳng” – một hiện tượng lượng tử khác trong đó phổ năng lượng electron chứa các phonon cực chậm có tương quan cực kỳ mạnh mẽ. Các dải phẳng gần đây đã được phát hiện trong các lớp graphene kép xoắn với nhau ở một góc nhất định. Các dải này là các trạng thái electron trong đó không có mối quan hệ giữa năng lượng và vận tốc của electron và chúng đặc biệt thú vị đối với các nhà vật lý vì các electron trở nên “không phân tán” trong chúng – nghĩa là động năng của chúng bị triệt tiêu. Khi các electron chuyển động chậm dần đến gần như dừng lại, khối lượng hiệu dụng của chúng tiến tới vô cực, dẫn đến các hiện tượng tôpô kỳ lạ cũng như các trạng thái tương quan chặt chẽ của vật chất liên quan đến tính siêu dẫn nhiệt độ cao, từ tính và các tính chất lượng tử khác của chất rắn.

Tlusty cho biết: “Kết quả của chúng tôi gợi ý rằng các hiện tượng tập thể mới nổi – như giả hạt và các dải phẳng tương quan mạnh – mà cho đến nay được cho là chỉ giới hạn trong các hệ lượng tử có thể được quan sát thấy trong các môi trường cổ điển, chẳng hạn như các hệ hóa học và thậm chí cả vật chất sống,” Tlusty nói. “Có lẽ những hiện tượng này phổ biến hơn nhiều so với những gì chúng tôi nhận ra trước đây.”

Ông nói thêm, những hiện tượng như vậy cũng có thể giúp giải thích các quá trình phức tạp khác nhau trong các hệ thống cổ điển. “Trong tác phẩm này, được trình bày chi tiết trong Vật lý tự nhiên, chúng tôi giải thích quá trình chuyển đổi nóng chảy không cân bằng trong tinh thể thủy động lực học mà chúng tôi đã nghiên cứu là kết quả của 'vết tuyết lở quasiparticle'. Điều này xảy ra khi các cặp giả hạt lan truyền qua tinh thể kích thích tạo ra các cặp khác thông qua phản ứng dây chuyền.

“Các cặp chuẩn tinh di chuyển nhanh hơn tốc độ của các phonon và do đó, mỗi cặp đều để lại một trận tuyết lở gồm các cặp mới hình thành – giống như hình nón Mach được tạo ra sau một chiếc máy bay phản lực siêu thanh. Cuối cùng, tất cả các cặp đó va chạm với nhau, cuối cùng dẫn đến sự tan chảy của tinh thể.”

Các nhà nghiên cứu nói rằng sẽ có nhiều ví dụ nữa về các hiện tượng giống như lượng tử trong các hệ thống cổ điển khác. Tlusty nói: “Tôi cảm thấy rằng những phát hiện của chúng tôi chỉ là phần nổi của tảng băng trôi. “Việc tiết lộ những hiện tượng như vậy có thể rất hữu ích trong việc thúc đẩy sự hiểu biết về các chế độ mới nổi và sự chuyển pha.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý