Począwszy od powstania mechaniki kwantowej, świat fizyki został podzielony na fizykę klasyczną i kwantową. Fizyka klasyczna zajmuje się ruchami obiektów, które zwykle obserwujemy na co dzień w świecie makroskopowym, podczas gdy fizyka kwantowa wyjaśnia egzotyczne zachowania cząstek elementarnych w świecie mikroskopowym.

Wiele ciał stałych lub cieczy składa się z cząstek oddziałujących ze sobą w bliskich odległościach, co czasami skutkuje powstaniem „kwazicząstek”. Kwazicząstki to długotrwałe wzbudzenia, które zachowują się skutecznie jak słabo oddziałujące cząstki. Pomysł kwazicząstek został wprowadzony przez radzieckiego fizyka Lwa Landaua w 1941 roku i od tego czasu jest bardzo owocny w badaniach materii kwantowej. Niektóre przykłady kwazicząstek obejmują kwazicząstki Bogoliubowa (tj. „zepsute pary Coopera”) w nadprzewodnictwie, ekscytony w półprzewodnikach i fonony.

Badanie pojawiających się zjawisk zbiorowych pod kątem kwazicząstek dostarczyło wglądu w szeroką gamę ustawień fizycznych, w szczególności w nadprzewodnictwo i nadciekłość, a ostatnio w słynny przykład kwazicząstek Diraca w grafenie. Jednak jak dotąd obserwacje i wykorzystanie kwazicząstek ograniczały się do fizyki kwantowej: w klasycznej materii skondensowanej częstość kolizji jest zazwyczaj o wiele za wysoka, aby umożliwić długowieczne wzbudzenia podobne do cząstek.

Jednak standardowy pogląd, że kwazicząstki występują wyłącznie w materii kwantowej, został ostatnio zakwestionowany przez grupę naukowców z Centrum Miękkiej i Żywej Materii (CSLM) w Instytucie Nauk Podstawowych (IBS) w Korei Południowej. Zbadali klasyczny system składający się z mikrocząstek napędzanych lepkim przepływem w cienkim kanale mikroprzepływowym. Gdy cząstki są ciągnięte przez przepływ, zaburzają linie prądu wokół nich, wywierając w ten sposób na siebie siły hydrodynamiczne.

Co ciekawe, naukowcy odkryli, że te siły dalekiego zasięgu powodują, że cząstki organizują się w pary. Dzieje się tak, ponieważ oddziaływanie hydrodynamiczne łamie trzecie prawo Newtona, które mówi, że siły między dwiema cząstkami muszą być równe co do wielkości i przeciwne w kierunku. Zamiast tego siły są „antynewtonowskie”, ponieważ są równe i skierowane w tym samym kierunku, stabilizując w ten sposób parę.

Duża populacja cząstek połączonych w pary wskazywała, że ​​są to długowieczne wzbudzenia elementarne w układzie – jego kwazicząstki. Hipoteza ta okazała się słuszna, gdy naukowcy przeprowadzili symulację dużego dwuwymiarowego kryształu złożonego z tysięcy cząstek i zbadali jego ruch. Siły hydrodynamiczne między cząstkami powodują, że kryształ wibruje, podobnie jak fonony termiczne w wibrującym ciele stałym.

Te pary kwazicząstek rozchodzą się w krysztale, stymulując tworzenie innych par poprzez reakcję łańcuchową. Kwazicząstki poruszają się szybciej niż prędkość fononów, dlatego każda para pozostawia po sobie lawinę nowo powstałych par, podobnie jak stożek Macha generowany za naddźwiękowym odrzutowcem. W końcu wszystkie te pary zderzają się ze sobą, co ostatecznie prowadzi do stopienia kryształu.

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.

W szczególności, analizując widmo fononów, naukowcy zidentyfikowali stożkowe struktury typowe dla kwazicząstek Diraca, podobnie jak struktura znaleziona w widmie elektronowym grafenu. 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 pierwszą tego rodzaju demonstracją, 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 korespondentów autorów 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 aktywna i żywa materia” – mówi Hyuk Kyu Pak, jeden z autorów korespondujących papieru.