Ученые впервые наблюдают «квазичастицы» в классических системах

May 13, 2023

С появлением квантовой механики мир физики разделился на классическую и квантовую физику. Классическая физика занимается движением объектов, которые мы обычно видим каждый день в макроскопическом мире, а квантовая физика объясняет экзотическое поведение элементарных частиц в микроскопическом мире.

Многие твердые тела и 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 слабовзаимодействующие частицы. Идея квазичастиц была выдвинута советским физиком Львом Ландау в 1941 году и с тех пор оказалась весьма плодотворной в исследованиях квантовой материи. Некоторые примеры квазичастиц включают квазичастицы Боголюбова (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 явлений, в первую очередь сверхпроводимость и сверхтекучесть, а недавно и знаменитый пример 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.

Однако стандартное мнение о том, что квазичастицы присущи только квантовой материи,недавно был брошен вызов группа исследователей из Центра мягкой и живой материи (CSLM) Института фундаментальных наук (IBS), Южная Корея. Они исследовали классическую систему, состоящую из микрочастиц, движимых вязким потоком в тонком микрофлюидном канале. Когда частицы увлекаются потоком, они возмущают линии тока вокруг себя, тем самым оказывая друг на друга гидродинамические силы. Этот прорыв был осуществлен совместно руководителем группы Цви Тлусти (факультет физики UNIST) и профессором Хюк Кю Паком (факультет физики UNIST) из CSLM.

Примечательно, что исследователи обнаружили, что эти дальнодействующие силы заставляют частицы организовываться в пары. Это происходит потому, 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», поскольку они равны и направлены в одном направлении, что стабилизирует пару.

Большая популяция частиц, связанных в пары, намекала на то, что это долгоживущие элементарные возбуждения в системе — ее квазичастицы. Эта гипотеза оказалась верной, когда исследователи смоделировали большой двумерный кристалл, состоящий из тысяч частиц, и исследовали его движение. Гидродинамические силы между частицами заставляют кристалл вибрировать, подобно тепловым фононам в колеблющемся 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 образовавшихся пар, точно так же, как конус Маха, образующийся за сверхзвуковым реактивным самолетом. Наконец, все эти пары сталкиваются друг с другом, что в конечном итоге приводит к плавлению кристалла.

Плавление, индуцированное парами, наблюдается во всех кристаллах симметрии, кроме одного частного случая: гексагонального кристалла. Здесь тройная симметрия гидродинамического взаимодействия соответствует кристаллической симметрии и в результате элементарные возбуждения представляют собой чрезвычайно медленные низкочастотные фононы (а не пары, как обычно). В спектре видна «плоская полоса», где конденсируются эти сверхмедленные фононы. Взаимодействие между плоскозонными фононами носит высококоллективный и коррелированный характер, что проявляется в гораздо более резком и другом классе перехода плавления.

Примечательно, что при анализе спектра фононов исследователи выявили конические структуры, типичные для квазичастиц Дирака, точно так же, как структура, обнаруженная в электронном спектре графена. В случае гидродинамического кристалла квазичастицы Дирака представляют собой просто пары частиц, образующиеся благодаря антиньютоновскому взаимодействию, опосредованному потоком. Это показывает, что система может служить классическим аналогом частиц, обнаруженных в графене.