Вчені вперше спостерігають «квазічастинки» в класичних системах

З моменту появи квантової механіки галузь фізики була розділена на дві окремі області: класичну фізику та квантову фізику. Класична фізика має справу з рухом повсякденних об’єктів у макроскопічному світі, тоді як квантова фізика пояснює дивну поведінку крихітних елементарних частинок у мікроскопічному світі.

Багато твердих тіл і рідин складаються з частинок, які взаємодіють одна з одною на близьких відстанях, що призводить до створення «квазічастинок». Квазічастинки — стійкі збудження, які діють як слабко взаємодіючи частинки. Поняття квазічастинок було введено в 1941 році радянським фізиком Левом Ландау і з того часу стало ключовим інструментом у вивченні квантової матерії. Деякі добре відомі приклади квазічастинок включають квазічастинки Боголюбова в надпровідності, екситони в напівпровідниках і фонони.

Дослідження нових колективних явищ з точки зору квазічастинок дало розуміння широкого розмаїття фізичних параметрів, особливо надпровідності та надтекучості, а нещодавно у відомому прикладі квазічастинок Дірака в графені. Але поки що спостереження та використання квазічастинок обмежуються квантовою фізикою: у класичному конденсованому середовищі швидкість зіткнень, як правило, занадто висока, щоб дозволити довгоживучі частинки подібні збудження.

Малюнок 1. Ліворуч: експериментальне вимірювання колоїдних частинок, що рухаються в тонкому мікрофлюїдному каналі. Частинки утворюють стабільні гідродинамічно пов’язані пари, що рухаються з однаковою швидкістю (стрілки). Ці пари є фундаментальними квазічастинками системи. Праворуч: моделювання гідродинамічного кристала, що показує пару квазічастинок (крайні ліві жовті та помаранчеві частинки), що поширюються в гідродинамічному кристалі, залишаючи за собою надзвуковий конус Маха збуджених квазічастинок. Кольори позначають величину збудження пари, а білий фон позначає їх швидкість.

Однак стандартну точку зору про те, що квазічастинки є виключно квантовою матерією, нещодавно оскаржила група дослідників із Центру м’якої та живої матерії (CSLM) Інституту фундаментальної науки (IBS), Південна Корея. Вони досліджували класичну систему, що складається з мікрочастинок, що рухаються в’язким потоком у тонкому мікрофлюїдному каналі. Коли частинки затягує потік, вони збурюють лінії струму навколо себе, тим самим діючи гідродинамічні сили одна на одну.

Примітно, що дослідники виявили, що ці далекосяжні сили змушують частинки організовуватися в пари (рис. 1 зліва). Це тому, що гідродинамічна взаємодія порушує третій закон Ньютона, який стверджує, що сили між двома частинками мають бути однаковими за величиною та протилежними за напрямком. Натомість сили є «антиньютонівськими», оскільки вони рівні й мають один і той же напрямок, таким чином стабілізуючи пару.

Велика популяція зчеплених попарно частинок натякала на те, що це довгоживучі елементарні збудження в системі — її квазічастинки. Ця гіпотеза була підтверджена, коли дослідники змоделювали великий двовимірний кристал, що складається з тисяч частинок, і дослідили його рух (Малюнок 1 праворуч). Гідродинамічні сили між частинками змушують кристал вібрувати, подібно до теплових фононів у коливальному твердому тілі.

Ці парні квазічастинки поширюються через кристал, стимулюючи створення інших пар через ланцюгову реакцію. Квазічастинки рухаються швидше, ніж швидкість фононів, і, таким чином, кожна пара залишає за собою лавину новоутворених пар, подібно до конуса Маха, який створюється позаду надзвукового реактивного літака (Малюнок 1 праворуч). Нарешті, всі ці пари стикаються одна з одною, що зрештою призводить до плавлення кристала.