科学者は最初に古典系で「準粒子」を観察しました

量子力学の出現を皮切りに、物理学の世界は古典物理学と量子物理学に分割されました。 古典物理学は私たちが普段目にしているものの動きを巨視的な世界で扱い、量子物理学は微視的な世界での素粒子の奇妙な振る舞いを説明します。

多くの固体または液体は、近距離で互いに相互作用する粒子で構成されており、その結果、「準粒子」が現れることがあります。 準粒子は、弱く相互作用する粒子として効果的に振る舞う寿命の長い励起です。 ソビエトの物理学者レフ・ランダウは、1941 年に準粒子のアイデアを導入して以来、量子物質の研究において非常に実り多いものとなっています。 準粒子の例には、超伝導におけるボゴリュボフ準粒子 (すなわち、「壊れたクーパー対」)、半導体における励起子、およびフォノンが含まれます。

準粒子の観点から新たな集合現象を調べることで、さまざまな物理的設定、特に超伝導、超流動、そして最近ではグラフェンのディラック準粒子の有名な例への洞察が得られました。 しかし、これまでのところ、準粒子の観測と使用は限定されていました。 量子物理学: 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できません。

しかし、準粒子が量子物質に閉じ込められているという標準的な見解は、最近、韓国の基礎科学研究所 (IBS) 内のソフトおよび生体材料センター (CSLM) の研究者グループによって異議を唱えられました。 彼らは、薄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作られた古典的なシステムを調べました。 粒子が流れに引き寄せられると、周囲のレオロジーが乱され、流体力学的な力が互いに作用します。

驚くべきことに、研究者は、これらの長距離力が粒子をペアに整列させることを発見しました。 これは、流体力学的相互作用がニュートンの第 3 法則に違反するためです。この法則は、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ものです。 代わりに、これらの力は「反ニュートン」であり、同じ方向に等しく、ペアを安定させます。

ペアになっている多数の粒子は、これらがシステム内の長寿命の一次励起、つまり準粒子であることを示唆しています。 この仮説は、研究者が何千もの粒子でできた大きな二次元結晶をシミュレートし、その動きを調べたときに正しいことが証明されました。 振動する固体の熱フォノンのように、分子間の流体力が結晶を振動させます。

ペア準粒子は結晶内を拡散し、連鎖反応によって他のペアの形成を触媒します。 準粒子はフォノンの速度よりも速く移動するため、超音速ジェットの背後で生成されるマッハ コーンのように、各ペアは新たに形成されたペアのなだれを残します。 最後に、これらすべてのペアが互いに衝突し、最終的に結晶が溶けます。

ペアによって生成される融合は、特定の 1 つのケース (六方晶) を除いて、すべての結晶対称性で観察されます。 ここで、流体力学的相互作用の 3D 対称性は結晶対称性と一致し、その結果、初期励起は非常に遅い低周波フォノン (通常のペアではない) になります。 スペクトルでは、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非常に集合的でコヒーレントであり、これは最も顕著で異なる融合遷移クラスで見られます。

特に、フォノンのスペクトルを分析すると、研究者はグラフェンの電子スペクトルで見られる構造と同様に、ディラック準粒子の典型的な円錐構造を特定しました。 流体力学的結晶の場合、ディラック準粒子は単に粒子のペアであり、流れを介した「反ニュートン」相互作用のおかげで形成されます。 これは、システムがグラフェンで検出された粒子の古典的な対応物として機能できることを示しています。

論文の責任著者の 1 人である Tsvi Tusty 氏は次のように説明しています。

さらに、準粒子とフラットバンドは、凝縮物質物理学で特に興味深いものです。 たとえば、最近、特定の「マジック アングル」でグラフェンのねじれた二重層でフラット バンドが観察されました。IBS CSLM で研究された流体力学的システムが、はるかに単純な 2D 結晶で同様のフラット バンドを示すのはたまたまです。

全体として、これらの結果は、これまで量子システムでのみ測定されていた他の新たな集団現象が、エネルギーやエネルギーなどのさまざまな古典的な散逸環境で検出できることを示しています。 ライブマター論文の責任著者の一人であるHyuk Kyu Pakは言います。