Gli scienziati hanno osservato per la prima volta le “quasiparticelle” nei sistemi classici

Fasce piatte e selle di scimmia in cristalli esagonali. credito: fisica della natura (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01893-5

A partire dall’avvento della meccanica quantistica, il mondo della fisica è stato diviso tra fisica classica e fisica quantistica. La fisica classica si occupa dei movimenti delle cose che normalmente vediamo ogni giorno nel mondo macroscopico, mentre la fisica quantistica spiega gli strani comportamenti delle particelle elementari nel mondo microscopico.


Molti solidi o liquidi sono composti da particelle che interagiscono tra loro a distanza ravvicinata, dando talvolta luogo alla comparsa di “quasiparticelle”. Le quasiparticelle sono eccitazioni di lunga durata che si comportano effettivamente come particelle debolmente interagenti. Il fisico sovietico Lev Landau ha introdotto l’idea delle quasiparticelle nel 1941, e da allora è stata molto fruttuosa nella ricerca sulla materia quantistica. Alcuni esempi di quasiparticelle includono le quasiparticelle di Bogolyubov (cioè “coppie di Cooper rotte”) nella superconduttività, eccitoni nei semiconduttori e fononi.

L’esame dei fenomeni collettivi emergenti in termini di quasiparticelle ha fornito approfondimenti su una varietà di impostazioni fisiche, in particolare sulla superconduttività, superfluidità e, più recentemente, nel famoso esempio delle quasiparticelle di Dirac nel grafene. Ma finora l’osservazione e l’uso delle quasiparticelle è stato limitato a Fisica quantistica: Nella materia condensata classica, il tasso di collisione è solitamente troppo alto per consentire eccitazioni simili a particelle di lunga durata.

Collasso di quasiparticelle. Simulazione a partire da un reticolo quadrato completo con una coppia di quasiparticelle isolate (al centro a destra). La coppia si allarga a sinistra mentre innesca un torrente di coppie in un cono di Mach sfumato. Le collisioni tra coppie appassionate portano a disgeli. Le frecce bianche indicano la velocità ei colori delle particelle indicano la distanza tra le due particelle in ciascuna coppia di quasiparticelle. Credito: Istituto per le scienze di base

Tuttavia, la visione standard secondo cui le quasiparticelle sono confinate nella materia quantistica è stata recentemente messa in discussione da un gruppo di ricercatori del Center for Soft and Living Materials (CSLM) all’interno dell’Institute for Basic Science (IBS), Corea del Sud. Hanno esaminato un sistema classico fatto di microparticelle guidate da un flusso viscoso in un canale microfluidico. Quando le particelle vengono attratte dal flusso, disturbano la fluidità che le circonda, esercitando forze idrodinamiche l’una sull’altra.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che queste forze a lungo raggio fanno allineare le particelle in coppie. Questo perché un’interazione idrodinamica viola la terza legge di Newton, che afferma che le forze tra due particelle devono essere uguali in grandezza e opposte in direzione. Invece le forze sono “antinewtoniane” perché sono uguali e nella stessa direzione, stabilizzando così la coppia.

Gli scienziati hanno notato per la prima volta

A sinistra: misurazione sperimentale di particelle colloidali spinte in un sottile canale microfluidico. Le particelle formano coppie stabili accoppiate idrodinamicamente che si muovono alla stessa velocità (frecce). Queste coppie sono le quasiparticelle fondamentali del sistema. A destra: simulazione di un cristallo idrodinamico, che mostra una coppia di quasiparticelle (particelle gialle e arancioni all’estrema sinistra) che si propagano in un cristallo idrodinamico, lasciando dietro di sé un cono di Mach supersonico di quasiparticelle eccitate. I colori indicano l’entità dell’eccitazione della coppia e lo sfondo bianco indica la loro velocità. Credito: Istituto per le scienze di base

Il gran numero di particelle accoppiate ha suggerito che queste sono le eccitazioni primarie di lunga durata nel sistema: le sue quasiparticelle. Questa ipotesi si è dimostrata corretta quando i ricercatori hanno simulato un grande cristallo bidimensionale composto da migliaia di particelle e ne hanno esaminato il movimento. Le forze idrodinamiche tra le molecole fanno vibrare il cristallo, come i fononi termici in un solido vibrante.

Le quasiparticelle di coppia diffondono attraverso il cristallo, catalizzando la formazione di altre coppie attraverso una reazione a catena. Le quasiparticelle viaggiano più velocemente della velocità dei fononi, e quindi ogni coppia lascia dietro di sé una valanga di coppie appena formate, proprio come un cono di Mach generato dietro un getto supersonico. Alla fine, tutte queste coppie si scontrano tra loro, il che alla fine provoca la fusione del cristallo.

Gli scienziati hanno notato per la prima volta

Lo spettro dei fononi nel cristallo idrodinamico mostra i coni di Dirac, indicativi della generazione di coppie di quasiparticelle. Lo zoom mostra uno dei doppi coni di Dirac. Credito: Istituto per le scienze di base

La fusione prodotta dalle coppie è osservata in tutte le simmetrie cristalline ad eccezione di un caso particolare: il cristallo esagonale. Qui, la simmetria 3D dell’interazione idrodinamica corrisponde alla simmetria del cristallo e, di conseguenza, le eccitazioni iniziali sono fononi a bassa frequenza molto lenti (non coppie come al solito). Nello spettro si vede una “banda piatta” dove questi fononi ultra lenti si condensano. L’interazione tra fononi a banda piatta è altamente collettiva e coerente, che si vede nella classe di transizione di fusione più pronunciata e diversa.

In particolare, analizzando lo spettro dei fononi, i ricercatori hanno identificato le tipiche strutture coniche delle quasiparticelle di Dirac, proprio come la struttura che si trova nello spettro elettronico del grafene. Nel caso di un cristallo idrodinamico, le quasiparticelle di Dirac sono semplicemente coppie di particelle, che si formano grazie all’interazione “antinewtoniana” mediata dal flusso. Ciò dimostra che il sistema può fungere da controparte classica delle particelle rilevate nel grafene.

spiega Tsvi Tusty, uno degli autori corrispondenti dell’articolo.

Inoltre, le quasiparticelle e le bande piatte sono di particolare interesse nella fisica della materia condensata. Ad esempio, recentemente sono state osservate bande piatte in doppi strati attorcigliati di grafene a uno specifico “angolo magico”, e si dà il caso che il sistema idrodinamico studiato in IBS CSLM mostri una banda piatta simile in un cristallo 2D molto più semplice.

Complessivamente, questi risultati indicano che altri fenomeni collettivi emergenti misurati finora solo nei sistemi quantistici possono essere rilevati in una varietà di contesti classicamente dissipativi, come quelli energetici e materia vivaafferma Hyuk Kyu-bak, uno degli autori corrispondenti dell’articolo.

maggiori informazioni:
Imran Saeed, Quasiparticelle, bande piatte e fusione idrodinamica della materia, fisica della natura (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01893-5. www.nature.com/articles/s41567-022-01893-5

la citazione: Gli scienziati osservano per la prima volta le “quasiparticelle” nei sistemi classici (2023, 26 gennaio) Estratto il 27 gennaio 2023 da https://phys.org/news/2023-01-scientists-quasiparticles-classical.html

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