Shkencëtarët vëzhgojnë për herë të parë ‘kuazi grimcat’ në sistemet klasike

Duke filluar me shfaqjen e mekanikës kuantike, bota e fizikës është ndarë midis fizikës klasike dhe asaj kuantike. Fizika klasike merret me lëvizjet e objekteve që zakonisht shohim çdo ditë në botën makroskopike, ndërsa fizika kuantike shpjegon sjelljet ekzotike të grimcave elementare në botën mikroskopike.

Shumë lëndë të ngurta ose lëngje përbëhen nga grimca që ndërveprojnë me njëra-tjetrën në distanca të afërta, gjë që ndonjëherë rezulton në rritjen e “kuazigrimcave”. Kuazigrimcat janë ngacmime jetëgjata që sillen në mënyrë efektive si grimca që ndërveprojnë dobët. Ideja e kuazigrimcave u prezantua nga fizikanti sovjetik Lev Landau në vitin 1941 dhe që atëherë ka qenë shumë i frytshëm në kërkimin e materies kuantike. Disa shembuj të kuazigrimcave përfshijnë kuazigrimcat e Bogoliubov (d.m.th. “çifte të thyera të Cooper”) në superpërçueshmëri, eksitone në gjysmëpërçues dhe fonone.

Ekzaminimi i fenomeneve kolektive emergjente në termat e kuazigrimcave siguroi një pasqyrë në një shumëllojshmëri të gjerë të cilësimeve fizike, veçanërisht në superpërçueshmëri dhe superfluiditet, dhe së fundmi në shembullin e famshëm të kuazigrimcave Dirac në grafen. Por deri më tani, vëzhgimi dhe përdorimi i kuazigrimcave ka qenë i kufizuar në fizikën kuantike: në lëndën e kondensuar klasike, shkalla e përplasjes është zakonisht shumë e lartë për të lejuar ngacmime të ngjashme me grimcat jetëgjata.

Megjithatë, pikëpamja standarde se kuazigrimcat janë ekskluzive për materien kuantike është sfiduar kohët e fundit nga një grup studiuesish në Qendrën për Materien e Butë dhe të Gjallë (CSLM) brenda Institutit për Shkencën Bazë (IBS), Koreja e Jugut. Ata ekzaminuan një sistem klasik të përbërë nga mikrogrimca të nxitura nga rrjedha viskoze në një kanal të hollë mikrofluidik. Ndërsa grimcat tërhiqen nga rrjedha, ato trazojnë linjat rrjedhëse rreth tyre, duke ushtruar kështu forca hidrodinamike mbi njëra-tjetrën.

Çuditërisht, studiuesit zbuluan se këto forca me rreze të gjatë i bëjnë grimcat të organizohen në çifte. Kjo ndodh sepse ndërveprimi hidrodinamik thyen ligjin e tretë të Njutonit, i cili thotë se forcat midis dy grimcave duhet të jenë të barabarta në madhësi dhe të kundërta në drejtim. Në vend të kësaj, forcat janë ‘anti-Njutoniane’ sepse janë të barabarta dhe në të njëjtin drejtim, duke stabilizuar kështu çiftin.

Popullsia e madhe e grimcave të bashkuara në çifte la të kuptohet se këto janë ngacmimet elementare jetëgjata në sistem – kuazigrimcat e tij. Kjo hipotezë u vërtetua e drejtë kur studiuesit simuluan një kristal të madh dy-dimensional të përbërë nga mijëra grimca dhe ekzaminuan lëvizjen e tij. Forcat hidrodinamike midis grimcave e bëjnë kristalin të dridhet, ashtu si fononet termike në një trup të ngurtë vibrues.

Këto çifte kuazigrimcash përhapen nëpër kristal, duke stimuluar krijimin e çifteve të tjera përmes një reaksioni zinxhir. Kuazigrimcat udhëtojnë më shpejt se shpejtësia e fononeve, dhe kështu çdo çift lë pas një ortek çiftesh të sapoformuara, ashtu si koni Mach i krijuar pas një aeroplani reaktiv supersonik. Më në fund, të gjitha ato çifte përplasen me njëri-tjetrin, duke çuar përfundimisht në shkrirjen e kristalit.

Shkrirja e shkaktuar nga çifte vërehet në të gjitha simetritë kristalore, përveç një rasti të veçantë: kristalin gjashtëkëndor. Këtu, simetria e trefishtë e ndërveprimit hidrodinamik përputhet me simetrinë kristalore dhe, si rezultat, ngacmimet elementare janë fonone jashtëzakonisht të ngadalta me frekuencë të ulët (dhe jo çifte si zakonisht). Në spektër, shihet një “bandë e sheshtë” ku kondensohen këto fonone ultra të ngadaltë. Ndërveprimi midis fononeve me brez të sheshtë është shumë kolektiv dhe i ndërlidhur, gjë që shfaqet në klasën shumë më të mprehtë dhe të ndryshme të tranzicionit të shkrirjes.

Veçanërisht, kur analizuan spektrin e fononeve, studiuesit identifikuan struktura konike tipike për kuazigrimcat e Dirakut, ashtu si struktura që gjendet në spektrin elektronik të grafenit. Në rastin e kristalit hidrodinamik, kuazigrimcat e Dirakut janë thjesht çifte grimcash, të cilat formohen falë ndërveprimit ‘anti-Njutonian’ të ndërmjetësuar nga rrjedha. Kjo tregon se sistemi mund të shërbejë si një analog klasik i grimcave të zbuluara në grafen.

“Puna është një demonstrim i parë në llojin e tij që konceptet themelore të materies kuantike – veçanërisht kuazigrimcat dhe brezat e sheshtë – mund të na ndihmojnë të kuptojmë fizikën e shumë trupave të sistemeve klasike disipative,” shpjegon Tsvi Tlusty, një nga autorët përkatës të letra.

Për më tepër, kuazigrimcat dhe brezat e sheshtë janë me interes të veçantë në fizikën e lëndës së kondensuar. Për shembull, brezat e sheshtë u vëzhguan kohët e fundit në shtresa të dyfishta grafeni të përdredhur nga një “kënd magjik” specifik dhe sistemi hidrodinamik i studiuar në IBS CSLM ndodh të shfaqë një brez të sheshtë analog në një kristal 2D shumë më të thjeshtë.

“Të gjitha, këto gjetje sugjerojnë se fenomene të tjera kolektive emergjente që janë matur deri më tani vetëm në sistemet kuantike mund të zbulohen në një sërë mjedisesh shpërhapëse klasike, të tilla si materia aktive dhe e gjallë,” thotë Hyuk Kyu Pak, një nga autorët përkatës. të letrës.