Wetenschappers observeerden voor het eerst “quasideeltjes” in klassieke systemen

Beginnend met de komst van de kwantummechanica, is de wereld van de fysica verdeeld tussen klassieke fysica en kwantumfysica. Klassieke natuurkunde houdt zich bezig met de bewegingen van dingen die we normaal elke dag in de macroscopische wereld zien, terwijl kwantumfysica het vreemde gedrag van elementaire deeltjes in de microscopische wereld verklaart.

Veel vaste stoffen of vloeistoffen zijn samengesteld uit deeltjes die op korte afstand met elkaar interageren, wat soms resulteert in het verschijnen van “quasideeltjes”. Quasiparticles zijn excitaties met een lange levensduur die zich effectief gedragen als zwak op elkaar inwerkende deeltjes. De Sovjetfysicus Lev Landau introduceerde het idee van quasideeltjes in 1941, en het heeft sindsdien veel opgeleverd in onderzoek naar kwantummaterie. Enkele voorbeelden van quasideeltjes zijn Bogolyubov-quasideeltjes (d.w.z. “gebroken Cooper-paren”) in supergeleiding, excitonen in halfgeleiders en fononen.

Het onderzoeken van opkomende collectieve fenomenen in termen van quasideeltjes heeft inzicht opgeleverd in een verscheidenheid aan fysieke omgevingen, met name in supergeleiding, superfluïditeit, en meer recentelijk in het beroemde voorbeeld van Dirac-quasideeltjes in grafeen. Maar tot nu toe is de observatie en het gebruik van quasideeltjes beperkt gebleven tot Kwantumfysica: In klassieke gecondenseerde materie is de botsingssnelheid meestal te hoog om langlevende deeltjesachtige excitaties mogelijk te maken.

De standaardopvatting dat quasideeltjes beperkt zijn tot kwantummaterie is onlangs echter aangevochten door een groep onderzoekers van het Center for Soft and Living Materials (CSLM) binnen het Institute for Basic Science (IBS), Zuid-Korea. Ze onderzochten een klassiek systeem gemaakt van microdeeltjes aangedreven door stroperige stroming in een dun microfluïdisch kanaal. Wanneer deeltjes door de stroming naar binnen worden getrokken, verstoren ze de reologie om hen heen, waardoor ze hydrodynamische krachten op elkaar uitoefenen.

Opmerkelijk is dat de onderzoekers ontdekten dat deze langeafstandskrachten ervoor zorgen dat deeltjes in paren worden uitgelijnd. Dit komt doordat een hydrodynamische interactie in strijd is met de derde wet van Newton, die stelt dat krachten tussen twee deeltjes even groot en tegengesteld gericht moeten zijn. In plaats daarvan zijn de krachten “anti-Newtoniaans” omdat ze gelijk zijn en in dezelfde richting, waardoor het paar wordt gestabiliseerd.

Het grote aantal gekoppelde deeltjes wees erop dat dit de langlevende primaire excitaties in het systeem zijn – de quasideeltjes. Deze hypothese werd juist bewezen toen de onderzoekers een groot tweedimensionaal kristal simuleerden dat uit duizenden deeltjes bestond en de beweging ervan onderzochten. Hydrodynamische krachten tussen moleculen laten het kristal trillen, zoals thermische fononen in een trillende vaste stof.

Paar quasideeltjes diffunderen door het kristal en katalyseren de vorming van andere paren door middel van een kettingreactie. Quasiparticles reizen sneller dan de snelheid van fononen, en dus laat elk paar een lawine van nieuw gevormde paren achter, net zoals een Mach-kegel die wordt gegenereerd achter een supersonische straal. Uiteindelijk botsen al deze paren met elkaar, waardoor het kristal uiteindelijk smelt.

Fusie geproduceerd door paren wordt waargenomen in alle kristalsymmetrieën behalve in één specifiek geval: het hexagonale kristal. Hier komt de 3D-symmetrie van de hydrodynamische interactie overeen met de kristalsymmetrie, en als resultaat zijn de initiële excitaties zeer langzame laagfrequente fononen (geen paren zoals gewoonlijk). In het spectrum ziet men een “platte band” waar deze ultraslow fononen condenseren. De interactie tussen flat-band fononen is zeer collectief en coherent, wat te zien is in de meest uitgesproken en verschillende fusieovergangsklassen.

Met name bij het analyseren van het spectrum van fononen identificeerden de onderzoekers de typische conische structuren van Dirac-quasideeltjes, net als de structuur die wordt aangetroffen in het elektronische spectrum van grafeen. In het geval van een hydrodynamisch kristal zijn de Dirac-quasideeltjes eenvoudig paren deeltjes, die worden gevormd dankzij de door stroming gemedieerde “anti-Newtonse” interactie. Hieruit blijkt dat het systeem kan dienen als een klassieke tegenhanger van de deeltjes die in grafeen worden gedetecteerd.

legt Tsvi Tusty uit, een van de overeenkomstige auteurs van het artikel.

Bovendien zijn quasideeltjes en platte banden van bijzonder belang in de fysica van de gecondenseerde materie. Zo zijn onlangs platte banden waargenomen in gedraaide dubbele lagen grafeen onder een specifieke ‘magische hoek’, en toevallig vertoont het hydrodynamische systeem dat in IBS CSLM is bestudeerd een vergelijkbare platte band in een veel eenvoudiger 2D-kristal.

Al met al geven deze resultaten aan dat andere opkomende collectieve verschijnselen die tot nu toe alleen in kwantumsystemen zijn gemeten, kunnen worden gedetecteerd in een verscheidenheid aan klassiek dissipatieve omgevingen, zoals energetische en levende zaakzegt Hyuk Kyu Pak, een van de corresponderende auteurs van het artikel.