Kwazicząstki to pojęcie w fizyce opisujące zbiorowe zachowanie grupy cząstek w materiale. Można je traktować jako „skuteczne cząstki”, które wychwytują podstawowe właściwości leżących pod nimi cząstek i ich interakcji. Kwazicząstki odgrywają kluczową rolę w zrozumieniu zachowania materiałów i są powszechnie używane do wyjaśniania zjawisk takich jak nadprzewodnictwo, magnetyzm i termodynamika.

Od czasu pojawienia się mechaniki kwantowej dziedzina fizyki została podzielona na dwa odrębne obszary: fizykę klasyczną i fizykę kwantową. Fizyka klasyczna zajmuje się ruchami przedmiotów codziennego użytku w świecie makroskopowym, podczas gdy fizyka kwantowa wyjaśnia dziwne zachowanie maleńkich cząstek elementarnych w świecie mikroskopowym.

Wiele ciał stałych i cieczy składa się z cząstek, które oddziałują ze sobą z bliskiej odległości, co prowadzi do powstania „kwazicząstek”. Kwazicząstki to stabilne wzbudzenia, które działają jak słabo oddziałujące cząstki. Pojęcie kwazicząstek zostało wprowadzone w 1941 roku przez radzieckiego fizyka Lwa Landaua i od tego czasu stało się kluczowym narzędziem w badaniu materii kwantowej. Niektóre dobrze znane przykłady kwazicząstek obejmują kwazicząstki Bogoliubowa w nadprzewodnictwie, ekscytony w[{” attribute=””>semiconductors, and phonons.

Examining emergent collective phenomena in terms of quasiparticles provided insight into a wide variety of physical settings, most notably in superconductivity and superfluidity, and recently in the famous example of Dirac quasiparticles in graphene. But so far, the observation and use of quasiparticles have been limited to quantum physics: in classical condensed matter, the collision rate is typically much too high to allow long-lived particle-like excitations.

Figure 1. Left: Experimental measurement of colloidal particles driven in a thin microfluidic channel. The particles form stable, hydrodynamically coupled pairs moving at the same velocity (arrows). These pairs are the fundamental quasiparticles of the system. Right: Simulation of a hydrodynamic crystal, showing a quasiparticle pair (leftmost yellow and orange particles) propagating in a hydrodynamic crystal, leaving behind a supersonic Mach cone of excited quasiparticles. Colors denote the magnitude of the pair excitation, and the white background denotes their velocity (see movie video below).

However, The standard view that quasiparticles are exclusive to quantum matter has been recently challenged by a group of researchers at the Center for Soft and Living Matter (CSLM) within the Institute for Basic Science (IBS), South Korea. They examined a classical system made of microparticles driven by viscous flow in a thin microfluidic channel. As the particles are dragged by the flow, they perturb the streamlines around them, thereby exerting hydrodynamic forces on each other.

Remarkably, the researchers found that these long-range forces make the particles organize in pairs (Figure 1 Left). This is because the hydrodynamic interaction breaks Newton’s third law, which states that the forces between two particles must be equal in magnitude and opposite in direction. Instead, the forces are ‘anti-Newtonian’ because they are equal and in the same direction, thus stabilizing the pair.

The large population of particles coupled in pairs hinted that these are the long-lived elementary excitations in the system — its quasiparticles. This hypothesis was proven right when the researchers simulated a large two-dimensional crystal made of thousands of particles and examined its motion (Figure 1 Right). The hydrodynamic forces among the particles make the crystal vibrate, much like the thermal phonons in a vibrating solid body.

These pair quasiparticles propagate through the crystal, stimulating the creation of other pairs through a chain reaction. The quasiparticles travel faster than the speed of phonons, and thus every pair leaves behind an avalanche of newly-formed pairs, just like the Mach cone generated behind a supersonic jet plane (Figure 1 Right). Finally, all those pairs collide with each other, eventually leading to the melting of the crystal.

Lawina kwazicząsteczkowa. Symulacja rozpoczynająca się od idealnej sieci kwadratowej z izolowaną parą kwazicząstek (prawy środek). Para rozchodzi się w lewo, wzbudzając lawinę par w stożku Macha. Zderzenia między wzbudzonymi parami powodują topnienie. Białe strzałki oznaczają prędkość, a kolory cząstek oznaczają odległość między dwiema cząstkami w każdej parze kwazicząstek. Źródło: Instytut Nauk Podstawowych

Topnienie wywołane parami obserwuje się we wszystkich symetriach kryształów z wyjątkiem jednego szczególnego przypadku: kryształu heksagonalnego. Tutaj potrójna symetria oddziaływań hydrodynamicznych odpowiada symetrii krystalicznej, w wyniku czego elementarne wzbudzenia są niezwykle wolnymi fononami o niskiej częstotliwości (a nie jak zwykle parami). W widmie widać „płaskie pasmo”, w którym kondensują się te ultrawolne fonony. Interakcja między fononami płaskopasmowymi jest wysoce zbiorcza i skorelowana, co pokazuje znacznie ostrzejsza, inna klasa przejścia topnienia.

Ryc. 2 – Widmo fononów w krysztale hydrodynamicznym wykazuje stożki Diraca, manifestujące generowanie par kwazicząstek. Zbliżenie pokazuje jeden z podwójnych stożków Diraca. Źródło: Instytut Nauk Podstawowych

W szczególności, analizując widmo fononów, naukowcy zidentyfikowali stożkowe struktury typowe dla kwazicząstek Diraca, podobnie jak struktura znaleziona w widmie elektronowym grafenu (Rysunek 2). W przypadku kryształu hydrodynamicznego kwazicząstki Diraca to po prostu pary cząstek, które powstają dzięki oddziaływaniom „antynewtonowskim”, w których pośredniczy przepływ. Pokazuje to, że układ może służyć jako klasyczny analog cząstek odkrytych w grafenie.

„Praca jest pierwszym tego rodzaju dowodem na to, że podstawowe koncepcje materii kwantowej – w szczególności kwazicząstki i płaskie pasma – mogą pomóc nam zrozumieć fizykę wielu ciał klasycznych układów dyssypacyjnych” – wyjaśnia Tsvi Tlusty, jeden z autorów korespondujących z papier.

Ponadto kwazicząstki i płaskie pasma są przedmiotem szczególnego zainteresowania w fizyce materii skondensowanej. Na przykład niedawno zaobserwowano płaskie pasma w podwójnych warstwach grafenu skręconych o określony „magiczny kąt”, a system hydrodynamiczny badany w IBS CSLM okazuje się wykazywać analogiczne płaskie pasma w znacznie prostszym krysztale 2D.

„W sumie odkrycia te sugerują, że inne wyłaniające się zjawiska zbiorowe, które do tej pory mierzono tylko w układach kwantowych, mogą zostać ujawnione w różnych klasycznych układach dyssypacyjnych, takich jak materia aktywna i żywa”, mówi Hyuk Kyu Pak, jeden z autorów korespondujących papieru.

Odniesienie: „Quasicząstki, płaskie pasma i topnienie materii hydrodynamicznej” autorstwa Imrana Saeeda, Hyuk Kyu Pak i Tsvi Tlusty, 26 stycznia 2023 r.,