科学者が古典系で「準粒子」を初めて観察

May 13, 2023

量子力学の出現に始まり、物理学の世界は古典物理学と量子物理学に分かれました。 古典物理学は、巨視的な世界で私たちが日常的に目にする物体の動きを扱いますが、量子物理学は、微視的な世界での素粒子のエキゾチックな挙動を説明します。

多くの固体や液体は、近距離で相互作用する粒子で構成されており、その結果、「準粒子」が発生することがあります。 準粒子は、弱く相互作用する粒子として効果的に動作する長寿命の励起です。 準粒子のアイデアは 1941 年にソ連の物理学者レフ ランダウによって導入され、それ以来、量子物質の研究に大きな成果をもたらしてきました。 準粒子の例には、超伝導のボゴリューボフ準粒子 (つまり、壊れたクーパー対)、半導体の励起子、フォノンなどがあります。

準粒子の観点から出現した集団現象を調べることで、さまざまな物理的状況、特に超伝導と超流動、そして最近ではグラフェン内のディラック準粒子の有名な例についての洞察が得られました。 しかし、これまでのところ、準粒子の観察と利用は量子物理学に限定されている。古典的な凝縮物質では、通常、衝突率が高すぎて長寿命の粒子のような励起が可能ではない。

しかし、準粒子は量子物質に限定されるという標準的な見解最近挑戦されました韓国の基礎科学研究所（IBS）内のソフト・アンド・リビングマターセンター（CSLM）の研究者グループによる。 彼らは、細いマイクロ流体チャネル内の粘性流によって駆動される微粒子で構成される古典的なシステムを調べました。 粒子が流れに引きずられると、粒子の周囲の流線が乱され、それによって相互に流体力学的な力が作用します。 この画期的な成果は、CSLM のグループリーダー Tsvi Tlusty (UNIST 物理学科) と Hyuk Ky Pak 教授 (UNIST 物理学科) によって共同で主導されました。

注目すべきことに、研究者らは、これらの長距離力によって粒子がペアで組織化されることを発見しました。 これは、流体力学的相互作用が、2 つの粒子間の力は大きさが等しく、方向が逆でなければならないというニュートンの第 3 法則を破るためです。 代わりに、力は等しく同じ方向を向いているため、力は「反ニュートン力」となり、ペアが安定します。

ペアで結合した多数の粒子は、これらが系内の長寿命の素励起、つまり準粒子であることを示唆しています。 この仮説は、研究者らが数千の粒子からなる大きな二次元結晶をシミュレーションし、その動きを調べたときに正しいことが証明されました。 粒子間の流体力学的な力により、振動する固体内の熱フォノンと同様に、結晶が振動します。

これらのペアの準粒子は結晶中を伝播し、連鎖反応を通じて他のペアの生成を刺激します。 準粒子はフォノンの速度よりも速く移動するため、超音速ジェット機の後ろで生成されるマッハコーンのように、すべてのペアは新しく形成されたペアの雪崩を残します。 最後に、これらすべてのペアが互いに衝突し、最終的には結晶の溶解につながります。

ペアによって引き起こされる融解は、六方晶系結晶という 1 つの特定のケースを除いて、すべての結晶対称性で観察されます。 ここでは、流体力学的相互作用の 3 回対称性が結晶対称性と一致しており、その結果、素励起は非常に遅い低周波フォノン (通常のペアではありません) になります。 スペクトルには、これらの超低速フォノンが凝縮する「フラットバンド」が見られます。 フラットバンドフォノン間の相互作用は高度に集合的かつ相関しており、これはよりシャープで異なるクラスの融解転移に現れています。

注目すべきことに、研究者らはフォノンのスペクトルを分析した際に、グラフェンの電子スペクトルで見られる構造とまったく同じ、ディラック準粒子に典型的な円錐構造を特定した。 流体力学結晶の場合、ディラック準粒子は流れによって媒介される反ニュートン相互作用のおかげで形成される単なる粒子のペアです。 これは、この系がグラフェンで発見された粒子の古典的な類似体として機能できることを示しています。

「この研究は、基本的な量子物質の概念、特に準粒子とフラットバンドが古典散逸系の多体物理学を理解するのに役立つことを、この種のものとしては初めて実証したものです」と、対応教授の一人、ツヴィ・トラスティ教授は説明する。論文の著者。

さらに、準粒子とフラットバンドは物性物理学において特に興味深いものです。 たとえば、特定の「魔法の角度」でねじれたグラフェンの二重層でフラット バンドが最近観察され、IBS CSLM で研究された流体力学システムは、より単純な 2D 結晶で偶然にも同様のフラット バンドを示しました。

「まとめると、これらの発見は、これまで量子系でのみ測定されてきた他の創発的な集団現象が、活動物質や生命物質などのさまざまな古典的な散逸環境で明らかにされる可能性があることを示唆しています」と責任著者の一人であるHyuk Kyyu Pak氏は述べています。紙の。

- このプレスリリースはもともと蔚山科学技術院のウェブサイトに掲載されたものです