Quasipartiküller, fizikte bir malzemedeki bir grup parçacığın toplu davranışını tanımlayan bir kavramdır. Altta yatan parçacıkların temel özelliklerini ve etkileşimlerini yakalayan “etkili parçacıklar” olarak düşünülebilirler. Quasiparticles, malzemelerin davranışını anlamada çok önemli bir rol oynar ve genellikle süperiletkenlik, manyetizma ve termodinamik gibi olguları açıklamak için kullanılır.
Kuantum mekaniğinin ortaya çıkışından bu yana, fizik alanı bölünmüştür. iki ayrı alana ayrılır: klasik fizik ve kuantum fiziği. Klasik fizik, makroskopik dünyadaki günlük nesnelerin hareketleriyle ilgilenirken kuantum fiziği, mikroskobik dünyadaki küçük temel parçacıkların garip davranışlarını açıklar.
Birçok katı ve sıvı, birbiriyle etkileşime giren parçacıklardan oluşur. yakın mesafelerde, “yarı parçacıklar” oluşmasına yol açar. Quasiparticles, zayıf etkileşen parçacıklar gibi davranan kararlı uyarımlardır. Quasiparticles kavramı, 1941’de Sovyet fizikçi Lev Landau tarafından tanıtıldı ve o zamandan beri kuantum maddesi çalışmasında çok önemli bir araç haline geldi. Kuasiparçacıkların bazı iyi bilinen örnekleri, süperiletkenlikteki Bogoliubov kuasipartiküllerini, yarı iletkenlerdeki eksitonları ve fononları içerir.
Ortaya çıkan toplu olguları kuasipartiküller açısından incelemek, çok çeşitli fiziksel ayarlara, özellikle de süperiletkenliğe ve süperakışkanlığa ilişkin içgörü sağladı. ve son zamanlarda grafendeki Dirac kuasipartiküllerinin ünlü örneğinde. Ancak şu ana kadar, kuasipartiküllerin gözlemlenmesi ve kullanımı kuantum fiziği ile sınırlıydı: klasik yoğun maddede, çarpışma oranı tipik olarak uzun ömürlü parçacık benzeri uyarılmalara izin vermeyecek kadar yüksektir.
{ 9}Şekil 1. Sol: İnce bir mikroakışkan kanalda sürülen koloidal parçacıkların deneysel ölçümü. Parçacıklar, aynı hızda (oklar) hareket eden kararlı, hidrodinamik olarak birleşmiş çiftler oluşturur. Bu çiftler, sistemin temel kuasipartikülleridir. Sağda: Bir hidrodinamik kristalde yayılan bir kuasipartikül çiftini (en soldaki sarı ve turuncu partiküller) gösteren ve arkasında uyarılmış kuasipartiküllerden oluşan süpersonik bir Mach konisi bırakan bir hidrodinamik kristalin simülasyonu. Renkler, çift uyarılmanın büyüklüğünü, beyaz arka plan ise hızlarını belirtir (aşağıdaki film videosuna bakın).
Bununla birlikte, kuasipartiküllerin kuantum maddesine özel olduğu şeklindeki standart görüş, yakın zamanda bir bilim insanı tarafından sorgulanmıştır. Güney Kore Temel Bilimler Enstitüsü (IBS) bünyesindeki Yumuşak ve Canlı Madde Merkezi’ndeki (CSLM) bir grup araştırmacı. İnce bir mikroakışkan kanalda viskoz akışla tahrik edilen mikropartiküllerden oluşan klasik bir sistemi incelediler. Parçacıklar akış tarafından sürüklendikçe etraflarındaki akım çizgilerini bozarak birbirlerine hidrodinamik kuvvetler uygularlar.
Araştırmacılar, dikkate değer bir şekilde, bu uzun menzilli kuvvetlerin parçacıkları çiftler halinde organize etmelerini sağladı (Şekil 1). Sol). Bunun nedeni, hidrodinamik etkileşimin, iki parçacık arasındaki kuvvetlerin büyüklük olarak eşit ve zıt yönde olması gerektiğini belirten Newton’un üçüncü yasasını çiğnemesidir. Bunun yerine, kuvvetler “Newton karşıtıdır” çünkü eşit ve aynı yöndedirler, böylece çifti dengelerler.
Çiftler halinde birleşmiş büyük parçacık popülasyonu, bunların evrendeki uzun ömürlü temel uyarımlar olduğunu ima etti. sistem — onun yarı parçacıkları. Araştırmacılar binlerce parçacıktan oluşan iki boyutlu büyük bir kristali simüle edip hareketini incelediklerinde bu hipotezin doğruluğu kanıtlanmıştır (Şekil 1 Sağda). Parçacıklar arasındaki hidrodinamik kuvvetler, tıpkı titreşen bir katı cisimdeki termal fononlar gibi kristalin titreşmesine neden olur.
Bu çift yarı parçacıklar kristalde yayılır ve bir zincirleme reaksiyon yoluyla diğer çiftlerin oluşumunu uyarır. Quasipartiküller, fononların hızından daha hızlı hareket eder ve bu nedenle, tıpkı süpersonik bir jet uçağının arkasında üretilen Mach konisi gibi, her çift arkasında yeni oluşan çiftlerden oluşan bir çığ bırakır (Şekil 1 Sağda). Son olarak, tüm bu çiftler birbiriyle çarpışır ve sonunda kristalin erimesine yol açar.
Quasiparticle çığ. İzole edilmiş bir çift yarı parçacık (sağ orta) ile mükemmel bir kare kafesten başlayan bir simülasyon. Çift, takip eden bir Mach konisinde bir çift çifti heyecanlandırırken sola doğru yayılır. Uyarılmış çiftler arasındaki çarpışmalar erimeye neden olur. Beyaz oklar hızı, parçacık renkleri ise her bir yarı parçacık çiftindeki iki parçacık arasındaki mesafeyi gösterir. Kredi: Temel Bilim Enstitüsü
Çiftlerin neden olduğu erime, belirli bir durum dışında tüm kristal simetrilerinde gözlenir: altıgen kristal. Burada, hidrodinamik etkileşimin üç katlı simetrisi, kristalin simetriyle eşleşir ve sonuç olarak, temel uyarımlar son derece yavaş düşük frekanslı fononlardır (ve her zamanki gibi çiftler değildir). Spektrumda, bu ultra yavaş fononların yoğunlaştığı bir “düz bant” görülür. Düz bantlı fononlar arasındaki etkileşim son derece toplu ve ilişkilidir; bu da, çok daha keskin, farklı bir erime geçiş sınıfında kendini gösterir.
Şekil 2 – Bir hidrodinamik kristaldeki fononların spektrumu yarı parçacık çiftlerinin oluşumunu gösteren Dirac konilerini sergiler. Yakınlaştırma, Dirac çift konilerinden birini gösterir. Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü
Araştırmacılar, özellikle fononların spektrumunu analiz ederken, tıpkı grafenin elektronik spektrumunda bulunan yapı gibi, Dirac kuasipartiküllerine özgü konik yapılar belirlediler (Şekil 2) . Hidrodinamik kristal söz konusu olduğunda, Dirac kuasipartikülleri, akışın aracılık ettiği “Newton karşıtı” etkileşim sayesinde oluşan basit parçacık çiftleridir. Bu, sistemin grafende keşfedilen parçacıkların klasik bir analoğu olarak hizmet edebileceğini gösteriyor.
“Çalışma, temel kuantum madde kavramlarının – özellikle yarı parçacıklar ve düz bantların – mümkün olduğunu gösteren, türünün ilk örneği bir gösteri. makalenin ilgili yazarlarından biri olan Tsvi Tlusty, klasik enerji tüketen sistemlerin çok cisim fiziğini anlamamıza yardımcı oluyor” diye açıklıyor.
Üstelik, yarı parçacıklar ve düz bantlar, yoğun madde fiziğinde özel ilgi görüyor. Örneğin, son zamanlarda belirli bir “sihirli açı” ile bükülen çift grafen tabakasında düz bantlar gözlemlendi ve IBS CSLM’de incelenen hidrodinamik sistem, çok daha basit bir 2D kristalde benzer bir düz bant sergiliyor.
{6 Hyuk Kyu Pak, “Toplam olarak, bu bulgular, şimdiye kadar yalnızca kuantum sistemlerinde ölçülen diğer ortaya çıkan kolektif fenomenlerin, aktif ve canlı madde gibi çeşitli klasik enerji tüketen ortamlarda ortaya çıkabileceğini gösteriyor” diyor. makalenin yazarları.
Referans: “Yarı parçacıklar, düz bantlar ve hidrodinamik maddenin erimesi”, Imran Saeed, Hyuk Kyu Pak ve Tsvi Tlusty, 26 Ocak 2023, Nature Physics.
DOI : 10.1038/s41567-022-01893-5