Wissenschaftler beobachten erstmals „Quasiteilchen“ in klassischen Systemen

May 13, 2023

Beginnend mit der Entstehung der Quantenmechanik wurde die Welt der Physik in klassische und Quantenphysik unterteilt. Die klassische Physik befasst sich mit den Bewegungen von Objekten, die wir normalerweise jeden Tag in der makroskopischen Welt sehen, während die Quantenphysik das exotische Verhalten von Elementarteilchen in der mikroskopischen Welt erklärt.

Viele Feststoffe oder Flüssigkeiten bestehen aus Teilchen, die in geringem Abstand miteinander interagieren, was manchmal zur Entstehung von „Quasiteilchen“ führt. Quasiteilchen sind langlebige Anregungen, die sich effektiv wie schwach wechselwirkende Teilchen verhalten. Die Idee der Quasiteilchen wurde 1941 vom sowjetischen Physiker Lew Landau eingeführt und hat sich seitdem in der Quantenmaterieforschung als äußerst fruchtbar erwiesen. Einige Beispiele für Quasiteilchen sind Bogoliubov-Quasiteilchen (dh gebrochene Cooper-Paare) in der Supraleitung, Exzitonen in Halbleitern und Phononen.

Die Untersuchung entstehender kollektiver Phänomene anhand von Quasiteilchen lieferte Einblicke in eine Vielzahl physikalischer Zusammenhänge, insbesondere in der Supraleitung und Supraflüssigkeit und kürzlich im berühmten Beispiel der Dirac-Quasiteilchen in Graphen. Doch bisher beschränkten sich die Beobachtung und Nutzung von Quasiteilchen auf die Quantenphysik: In klassischer kondensierter Materie ist die Kollisionsrate typischerweise viel zu hoch, um langlebige teilchenartige Anregungen zu ermöglichen.

Die gängige Ansicht ist jedoch, dass Quasiteilchen ausschließlich in der Quantenmaterie vorkommenwurde kürzlich angefochten von einer Gruppe von Forschern am Center for Soft and Living Matter (CSLM) des Institute for Basic Science (IBS), Südkorea. Sie untersuchten ein klassisches System aus Mikropartikeln, die durch eine viskose Strömung in einem dünnen mikrofluidischen Kanal angetrieben werden. Wenn die Partikel von der Strömung mitgerissen werden, stören sie die Stromlinien um sie herum und üben dadurch hydrodynamische Kräfte aufeinander aus. Dieser Durchbruch wurde gemeinsam von Gruppenleiterin Tsvi Tlusty (Department of Physics, UNIST) und Professor Hyuk Kyu Pak (Department of Physics, UNIST) vom CSLM geleitet.

Bemerkenswerterweise fanden die Forscher heraus, dass diese weitreichenden Kräfte dazu führen, dass sich die Teilchen paarweise organisieren. Dies liegt daran, dass die hydrodynamische Wechselwirkung das dritte Newtonsche Gesetz bricht, das besagt, dass die Kräfte zwischen zwei Teilchen gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sein müssen. Stattdessen sind die Kräfte „anti-Newtonsch“, weil sie gleich sind und in die gleiche Richtung zeigen, wodurch das Paar stabilisiert wird.

Die große Population paarweise gekoppelter Teilchen deutete darauf hin, dass es sich hierbei um die langlebigen Elementaranregungen im System handelt – seine Quasiteilchen. Diese Hypothese erwies sich als richtig, als die Forscher einen großen zweidimensionalen Kristall aus Tausenden von Teilchen simulierten und seine Bewegung untersuchten. Die hydrodynamischen Kräfte zwischen den Partikeln bringen den Kristall zum Vibrieren, ähnlich wie die thermischen Phononen in einem vibrierenden Festkörper.

Diese paarigen Quasiteilchen breiten sich durch den Kristall aus und regen durch eine Kettenreaktion die Bildung weiterer Paare an. Die Quasiteilchen bewegen sich schneller als Phononen, und daher hinterlässt jedes Paar eine Lawine neu gebildeter Paare, genau wie der Mach-Kegel, der hinter einem Überschallflugzeug entsteht. Schließlich kollidieren alle diese Paare miteinander, was schließlich zum Schmelzen des Kristalls führt.

Das durch Paare induzierte Schmelzen wird in allen Kristallsymmetrien beobachtet, mit Ausnahme eines besonderen Falles: des hexagonalen Kristalls. Hier stimmt die dreizählige Symmetrie der hydrodynamischen Wechselwirkung mit der Kristallsymmetrie überein und die elementaren Anregungen sind daher extrem langsame niederfrequente Phononen (und nicht Paare wie üblich). Im Spektrum sieht man ein „flaches Band“, in dem diese ultralangsamen Phononen kondensieren. Die Wechselwirkung zwischen den Flachbandphononen ist stark kollektiv und korreliert, was sich in der viel schärferen, unterschiedlichen Klasse des Schmelzübergangs zeigt.

Bemerkenswert ist, dass die Forscher bei der Analyse des Phononenspektrums konische Strukturen identifizierten, die typisch für Dirac-Quasiteilchen sind, genau wie die Struktur, die im elektronischen Spektrum von Graphen zu finden ist. Im Fall des hydrodynamischen Kristalls sind die Dirac-Quasiteilchen einfach Teilchenpaare, die sich dank der durch die Strömung vermittelten anti-Newtonschen Wechselwirkung bilden. Dies zeigt, dass das System als klassisches Analogon der in Graphen entdeckten Partikel dienen kann.

„Die Arbeit ist eine einzigartige Demonstration, dass grundlegende Konzepte der Quantenmaterie – insbesondere Quasiteilchen und flache Bänder – uns helfen können, die Vielteilchenphysik klassischer dissipativer Systeme zu verstehen“, erklärt der angesehene Professor Tsvi Tlusty, einer der Korrespondenten Autoren des Papiers.

Darüber hinaus sind Quasiteilchen und flache Bänder von besonderem Interesse in der Physik der kondensierten Materie. Beispielsweise wurden kürzlich flache Bänder in Doppelschichten aus Graphen beobachtet, die um einen bestimmten „magischen Winkel“ verdreht sind, und das am IBS CSLM untersuchte hydrodynamische System weist zufällig ein analoges flaches Band in einem viel einfacheren zweidimensionalen Kristall auf.

„Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass andere entstehende kollektive Phänomene, die bisher nur in Quantensystemen gemessen wurden, in einer Vielzahl klassischer dissipativer Umgebungen, etwa in aktiver und lebender Materie, aufgedeckt werden könnten“, sagt Hyuk Kyu Pak, einer der korrespondierenden Autoren des Papiers.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website des Ulsan National Institute of Science and Technology veröffentlicht