Физики впервые наблюдают квазичастицы в классических системах
Идея квазичастиц была введена советским физиком Львом Ландау в 1941 году и с тех пор приносила большие плоды в исследованиях квантовой материи. Некоторые примеры квазичастиц включают боголюбовские квазичастицы (разорванные куперовские пары) в сверхпроводимости, экситоны в полупроводниках и фононы. Но мнение о том, что квазичастицы относятся исключительно к квантовой материи, недавно было оспорено группой исследователей из Центра мягкой и живой материи (CSLM) Института фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее. Они исследовали классическую систему, состоящую из микрочастиц, движимых вязким потоком в тонком микрожидкостном канале. Поскольку частицы увлекаются потоком, они возмущают линии тока вокруг себя, тем самым воздействуя гидродинамическими силами друг на друга.
Плоские полосы и обезьяньи седла из шестиугольных кристаллов.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-022-01893-5
Начиная с появления квантовой механики мир физики разделился на классическую и квантовую физику. Классическая физика имеет дело с движениями объектов, которые мы обычно наблюдаем каждый день в макроскопическом мире, в то время как квантовая физика объясняет экзотическое поведение элементарных частиц в микроскопическом мире.
Многие твердые тела или жидкости состоят из частиц, взаимодействующих друг с другом на близких расстояниях, что иногда приводит к возникновению «квазичастиц». Квазичастицы — это долгоживущие возбуждения, которые эффективно ведут себя как слабо взаимодействующие частицы. Идея квазичастиц была введена советским физиком Львом Ландау в 1941 году и с тех пор приносила большие плоды в исследованиях квантовой материи. Некоторые примеры квазичастиц включают боголюбовские квазичастицы (т. е. «разорванные куперовские пары») в сверхпроводимости, экситоны в полупроводниках и фононы.
Изучение возникающих коллективных явлений с точки зрения квазичастиц позволило понять широкий спектр физических параметров, особенно в области сверхпроводимости и сверхтекучести, а недавно и в знаменитом примере квазичастиц Дирака в графене. Но до сих пор наблюдение и использование квазичастиц ограничивалось квантовой физикой: в классической конденсированной среде частота столкновений обычно слишком высока, чтобы допускать долгоживущие возбуждения, подобные частицам.
Квазичастичная лавина. Моделирование, начиная с идеальной квадратной решетки с изолированной парой квазичастиц (справа в центре). Пара распространяется влево, возбуждая лавину пар в хвостовом конусе Маха. Столкновения между возбужденными парами вызывают плавление. Белые стрелки обозначают скорость, а цвета частиц обозначают расстояние между двумя частицами в каждой паре квазичастиц.
Предоставлено: Институт фундаментальных наук.
Однако стандартное мнение о том, что квазичастицы относятся исключительно к квантовой материи, недавно было оспорено группой исследователей из Центра мягкой и живой материи (CSLM) Института фундаментальных наук (IBS) в Южной Корее. Они исследовали классическую систему, состоящую из микрочастиц, движимых вязким потоком в тонком микрожидкостном канале. Поскольку частицы увлекаются потоком, они возмущают линии тока вокруг себя, тем самым воздействуя гидродинамическими силами друг на друга.
Примечательно, что исследователи обнаружили, что эти дальнодействующие силы заставляют частицы объединяться в пары. Это связано с тем, что гидродинамическое взаимодействие нарушает третий закон Ньютона, который гласит, что силы между двумя частицами должны быть равны по величине и противоположны по направлению. Вместо этого силы являются «антиньютоновскими», потому что они равны и действуют в одном направлении, таким образом стабилизируя пару.
Слева: Экспериментальное измерение коллоидных частиц, перемещаемых в тонком микрожидкостном канале. Частицы образуют стабильные гидродинамически связанные пары, движущиеся с одинаковой скоростью (стрелки). Эти пары являются фундаментальными квазичастицами системы.
Справа: моделирование гидродинамического кристалла, показывающее пару квазичастиц (крайние левые желтые и оранжевые частицы), распространяющихся в гидродинамическом кристалле, оставляя после себя сверхзвуковой конус Маха возбужденных квазичастиц. Цвета обозначают величину возбуждения пары, а белый фон обозначает их скорость.
Предоставлено: Институт фундаментальных наук.
Большая популяция частиц, сцепленных попарно, намекала на то, что это долгоживущие элементарные возбуждения в системе — ее квазичастицы. Эта гипотеза подтвердилась, когда исследователи смоделировали большой двумерный кристалл, состоящий из тысяч частиц, и изучили его движение. Гидродинамические силы между частицами заставляют кристалл вибрировать подобно тепловым фононам в вибрирующем твердом теле.
Эти парные квазичастицы распространяются по кристаллу, стимулируя создание других пар посредством цепной реакции. Квазичастицы движутся быстрее, чем скорость фононов, и поэтому каждая пара оставляет после себя лавину вновь образованных пар, точно так же, как конус Маха, генерируемый за сверхзвуковой реактивной плоскостью. Наконец, все эти пары сталкиваются друг с другом, что в конечном итоге приводит к плавлению кристалла.
Спектр фононов в гидродинамическом кристалле имеет конусы Дирака, свидетельствующие о генерации пар квазичастиц. Увеличение показывает один из двойных конусов Дирака.
Предоставлено: Институт фундаментальных наук.
Индуцированное парами плавление наблюдается во всех симметриях кристаллов, кроме одного частного случая: гексагонального кристалла. Здесь тройная симметрия гидродинамического взаимодействия соответствует кристаллической симметрии и, как следствие, элементарными возбуждениями являются чрезвычайно медленные низкочастотные фононы (а не пары, как обычно). В спектре видна «плоская полоса», где конденсируются эти сверхмедленные фононы. Взаимодействие между фононами плоских зон является в высшей степени коллективным и коррелированным, что проявляется в гораздо более резком, другом классе перехода плавления.
Примечательно, что при анализе спектра фононов исследователи идентифицировали конические структуры, характерные для квазичастиц Дирака, точно так же, как структура, обнаруженная в электронном спектре графена. В случае гидродинамического кристалла квазичастицы Дирака представляют собой просто пары частиц, которые образуются благодаря «антиньютоновскому» взаимодействию, опосредованному потоком. Это свидетельствует о том, что система может служить классическим аналогом частиц, обнаруженных в графене.
«Эта работа является первой в своем роде демонстрацией того, что фундаментальные концепции квантовой материи — в частности, квазичастицы и плоские полосы — могут помочь нам понять физику многих тел классических диссипативных систем», — объясняет Цви Тласти, один из соавторов исследования.
Кроме того, квазичастицы и плоские зоны представляют особый интерес в физике конденсированного состояния. Например, недавно были обнаружены плоские полосы в двойных слоях графена, скрученных под определенным «магическим углом», а гидродинамическая система, изученная в IBS CSLM, обнаружила аналогичную плоскую полосу в гораздо более простом двумерном кристалле.
«В целом эти результаты показывают, что другие эмерджентные коллективные явления, которые до сих пор измерялись только в квантовых системах, могут быть обнаружены в различных классических диссипативных условиях, таких как активная и живая материя », — говорит Хюк Кю Пак, один из авторов. бумаги.
