لاحظ العلماء لأول مرة “أشباه جسيمات” في الأنظمة الكلاسيكية

بدءًا من أصل ميكانيكا الكم ، ينقسم عالم الفيزياء إلى الفيزياء الكلاسيكية والفيزياء الكمومية. تتعامل الفيزياء الكلاسيكية مع حركات الأشياء التي نراها عادة كل يوم في العالم العياني ، بينما تشرح فيزياء الكم السلوكيات الغريبة للجسيمات الأساسية في العالم المجهري.

تتكون العديد من المواد الصلبة أو السوائل من جزيئات تتفاعل مع بعضها البعض على مسافة قريبة ، مما يؤدي أحيانًا إلى ظهور “أشباه الجسيمات”. أشباه الجسيمات هي إثارة طويلة العمر تعمل كجسيمات ضعيفة التفاعل. قدم الفيزيائي السوفيتي ليف لانداو فكرة أشباه الجسيمات في عام 1941 وكانت مفيدة جدًا في أبحاث المادة الكمومية منذ ذلك الحين. تتضمن بعض الأمثلة على أشباه الجسيمات جزيئات بوكوليوبوف (أي “أزواج كوبر المكسورة”) في الموصلية الفائقة ، والإكسيتونات والفونونات في أشباه الموصلات.

قدم التحقيق في الظواهر الجماعية القائمة على أشباه الجسيمات نظرة ثاقبة لمجموعة واسعة من الأنظمة الفيزيائية ، لا سيما الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة ، ومؤخراً في المثال الشهير لجسيمات ديراك في الجرافين. لكن حتى الآن ، كانت مراقبة وتطبيق أشباه الجسيمات محدودة فيزياء الكم: في المادة المكثفة الكلاسيكية ، عادة ما يكون معدل الاصطدام مرتفعًا جدًا للسماح بإثارة طويلة العمر تشبه الجسيمات.

ومع ذلك ، فإن وجهة النظر القياسية القائلة بأن أشباه الجسيمات تقتصر على المادة الكمومية قد تم تحديها مؤخرًا من قبل فريق من الباحثين من مركز المواد اللينة والمعيشية (CSLM) في معهد العلوم الأساسية (IPS) في كوريا الجنوبية. لقد درسوا نظامًا كلاسيكيًا يتكون من جزيئات دقيقة مدفوعة بالتدفق اللزج في قناة ميكروفلويديك رفيعة. عندما يتم سحب الجسيمات بواسطة التدفق ، فإنها تزعج التيارات المحيطة بها وبالتالي تمارس قوى هيدروديناميكية على بعضها البعض.

ومن اللافت للنظر أن الباحثين وجدوا أن هذه القوى بعيدة المدى تنظم الجسيمات إلى أزواج. هذا لأن التفاعل الهيدروديناميكي يخالف قانون نيوتن الثالث ، الذي ينص على أن القوى بين جسيمين يجب أن تكون متساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه. على العكس من ذلك ، فإن القوى “معادية لنيوتونية” لأنهما متساويتان وفي نفس الاتجاه ، مما يؤدي إلى استقرار الزوجين.

أشار عدد كبير من الجسيمات المزدوجة إلى أن هذه كانت النبضات الأساسية طويلة العمر في النظام – أشباه جسيماتها. تم إثبات صحة هذه الفرضية عندما قام الباحثون بمحاكاة حركة بلورة كبيرة ثنائية الأبعاد تتكون من آلاف الجسيمات. تتسبب القوى الهيدروديناميكية بين الجزيئات في اهتزاز البلورة ، على غرار الفونونات الحرارية في جسم صلب مهتز.

ينتشر هذا الزوج من أشباه الجسيمات عبر البلورة ، مما يؤدي إلى تكوين أزواج أخرى من خلال تفاعل متسلسل. تنتقل أشباه الجسيمات أسرع من سرعة الفونونات ، بحيث يترك كل زوج من الأزواج التي تشكلت حديثًا سيلًا من الأزواج ، على غرار مخروط ماخ المتكون خلف طائرة أسرع من الصوت. أخيرًا ، تصطدم كل هذه الأزواج مع بعضها البعض ، مما يؤدي في النهاية إلى ذوبان البلورة.

لوحظ الذوبان الناجم عن الزوج في جميع التناظرات البلورية باستثناء حالة واحدة معينة: البلورة السداسية. هنا ، يتطابق التناظر ثلاثي الأبعاد للتفاعل الهيدروديناميكي مع التناظر البلوري ، ونتيجة لذلك ، تكون الإثارات الأساسية عبارة عن فونونات منخفضة التردد بطيئة جدًا (وليست في أزواج كالمعتاد). في الطيف ، يرى “نطاقًا مسطحًا” حيث تتكثف هذه الفونونات فائقة البطء. التفاعل بين الفونونات ذات النطاق المسطح جماعي للغاية ومترابط ، مما يُظهر انتقال ذوبان حاد للغاية وغير متجانس.

على وجه الخصوص ، عند تحليل طيف الفونونات ، حدد الباحثون الهياكل المخروطية النموذجية لأشباه جسيمات ديراك ، على غرار الهيكل المرئي في الطيف الإلكتروني للجرافين. بالنسبة إلى علم البلورات الهيدروديناميكي ، فإن أشباه جسيمات ديراك هي ببساطة أزواج من الجسيمات توجد بفضل التفاعل “المضاد لنيوتن” الذي يتوسطه التدفق. يوضح هذا أن هذه البنية يمكن أن تعمل كنظير كلاسيكي للجسيمات الموجودة في الجرافين.

“هذا العمل هو أول دليل من نوعه على أن مفاهيم المادة الكمومية الأساسية – وخاصة أشباه الجسيمات والعصابات المسطحة – يمكن أن تساعدنا في فهم فيزياء الأجسام المتعددة لأنظمة التشتت الكلاسيكية” ، كما يوضح أحد المؤلفين المطابقين ، دزفي تلستي. ورق.

كما أن أشباه الجسيمات والعصابات المسطحة لها أهمية خاصة في فيزياء المادة المكثفة. على سبيل المثال ، لوحظت العصابات المسطحة مؤخرًا في طبقات الجرافين الثنائية الملتوية من خلال “زاوية سحرية” معينة ، وتكشف البنية الهيدروديناميكية التي تمت دراستها في IBS CSLM عن نطاق مسطح مماثل في بلورة ثنائية الأبعاد بسيطة جدًا.

“إجمالاً ، تشير هذه النتائج إلى أن الظواهر الجماعية الناشئة الأخرى التي تم قياسها حتى الآن فقط في الأنظمة الكمومية قد تتجلى في أنظمة التشتت الكلاسيكية النشطة والمتنوعة مثل شيء حييقول هيوك كيو بارك ، أحد مؤلفي المقال.