Científicos observan 'cuasipartículas' en sistemas clásicos por primera vez

May 13, 2023

A partir del surgimiento de la mecánica cuántica, el mundo de la física se ha dividido entre la física clásica y la cuántica. La física clásica se ocupa de los movimientos de los objetos que normalmente vemos todos los días en el mundo macroscópico, mientras que la física cuántica explica los comportamientos exóticos de las partículas elementales en el mundo microscópico.

Muchos sólidos o líquidos están compuestos de partículas que interactúan entre sí a distancias cortas, lo que a veces da como resultado el surgimiento de "cuasipartículas". Las cuasipartículas son excitaciones de larga duración que se comportan efectivamente como partículas que interactúan débilmente. La idea de las cuasipartículas fue presentada por el físico soviético Lev Landau en 1941, y desde entonces ha sido muy fructífera en la investigación de la materia cuántica. Algunos ejemplos de cuasipartículas incluyen cuasipartículas de Bogoliubov (es decir, pares de Cooper rotos) en superconductividad, excitones en semiconductores y fonones.

El examen de los fenómenos colectivos emergentes en términos de cuasipartículas proporcionó información sobre una amplia variedad de entornos físicos, sobre todo en la superconductividad y la superfluidez, y recientemente en el famoso ejemplo de las cuasipartículas de Dirac en el grafeno. Pero hasta ahora, la observación y el uso de cuasipartículas se han limitado a la física cuántica: en la materia condensada clásica, la tasa de colisión suele ser demasiado alta para permitir excitaciones similares a partículas de larga duración.

Sin embargo, la opinión estándar de que las cuasipartículas son exclusivas de la materia cuánticaha sido desafiado recientemente por un grupo de investigadores del Centro de Materia Blanda y Viva (CSLM) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), Corea del Sur. Examinaron un sistema clásico hecho de micropartículas impulsadas por un flujo viscoso en un canal microfluídico delgado. A medida que las partículas son arrastradas por el flujo, perturban las líneas de corriente a su alrededor, ejerciendo así fuerzas hidrodinámicas entre sí. Este avance ha sido liderado conjuntamente por el líder del grupo Tsvi Tlusty (Departamento de Física, UNIST) y el profesor Hyuk Kyu Pak (Departamento de Física, UNIST) de CSLM.

Sorprendentemente, los investigadores encontraron que estas fuerzas de largo alcance hacen que las partículas se organicen en pares. Esto se debe a que la interacción hidrodinámica rompe la tercera ley de Newton, que establece que las fuerzas entre dos partículas deben ser iguales en magnitud y opuestas en dirección. En cambio, las fuerzas son "anti-Newtonianas" porque son iguales y en la misma dirección, estabilizando así el par.

La gran población de partículas acopladas en pares insinuó que estas son las excitaciones elementales de larga duración en el sistema: sus cuasipartículas. Esta hipótesis se demostró correcta cuando los investigadores simularon un gran cristal bidimensional hecho de miles de partículas y examinaron su movimiento. Las fuerzas hidrodinámicas entre las partículas hacen que el cristal vibre, como los fonones térmicos en un cuerpo sólido en vibración.

Estos pares de cuasipartículas se propagan a través del cristal, estimulando la creación de otros pares a través de una reacción en cadena. Las cuasipartículas viajan más rápido que la velocidad de los fonones y, por lo tanto, cada par deja una avalancha de pares recién formados, al igual que el cono de Mach generado detrás de un avión a reacción supersónico. Finalmente, todos esos pares chocan entre sí, lo que eventualmente lleva a la fusión del cristal.

La fusión inducida por pares se observa en todas las simetrías cristalinas excepto en un caso particular: el cristal hexagonal. Aquí, la simetría triple de la interacción hidrodinámica coincide con la simetría cristalina y, como resultado, las excitaciones elementales son fonones de baja frecuencia extremadamente lentos (y no pares como de costumbre). En el espectro, se ve una "banda plana" donde se condensan estos fonones ultralentos. La interacción entre los fonones de banda plana es altamente colectiva y está correlacionada, lo que se muestra en la transición de fusión mucho más aguda y diferente.

En particular, al analizar el espectro de los fonones, los investigadores identificaron estructuras cónicas típicas de las cuasipartículas de Dirac, al igual que la estructura que se encuentra en el espectro electrónico del grafeno. En el caso del cristal hidrodinámico, las cuasipartículas de Dirac son simplemente pares de partículas, que se forman gracias a la interacción anti-Newtoniana mediada por el flujo. Esto demuestra que el sistema puede servir como un análogo clásico de las partículas descubiertas en el grafeno.

"El trabajo es la primera demostración de su tipo de que los conceptos fundamentales de la materia cuántica, en particular las cuasipartículas y las bandas planas, pueden ayudarnos a comprender la física de muchos cuerpos de los sistemas disipativos clásicos", explica el distinguido profesor Tsvi Tlusty, uno de los correspondientes autores del artículo.

Además, las cuasipartículas y las bandas planas son de especial interés en la física de la materia condensada. Por ejemplo, recientemente se observaron bandas planas en capas dobles de grafeno retorcidas por un "ángulo mágico" específico, y el sistema hidrodinámico estudiado en el IBS CSLM exhibe una banda plana análoga en un cristal 2D mucho más simple.

"En conjunto, estos hallazgos sugieren que otros fenómenos colectivos emergentes que hasta ahora se han medido solo en sistemas cuánticos pueden revelarse en una variedad de entornos disipativos clásicos, como la materia viva y activa", dice Hyuk Kyu Pak, uno de los autores correspondientes. del papel

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan