Los científicos observaron por primera vez «cuasipartículas» en sistemas clásicos

A partir del advenimiento de la mecánica cuántica, el mundo de la física se ha dividido entre la física clásica y la física cuántica. La física clásica se ocupa de los movimientos de las cosas que normalmente vemos todos los días en el mundo macroscópico, mientras que la física cuántica explica los extraños comportamientos de las partículas elementales en el mundo microscópico.

Muchos sólidos o líquidos están compuestos por partículas que interactúan entre sí a corta distancia, lo que a veces da como resultado la aparición de «cuasipartículas». Las cuasipartículas son excitaciones de larga duración que se comportan efectivamente como partículas que interactúan débilmente. El físico soviético Lev Landau introdujo la idea de las cuasipartículas en 1941, y desde entonces ha sido muy fructífera en la investigación de la materia cuántica. Algunos ejemplos de cuasipartículas incluyen cuasipartículas de Bogolyubov (es decir, «pares de Cooper rotos») en superconductividad, excitones en semiconductores y fonones.

El examen de los fenómenos colectivos emergentes en términos de cuasipartículas ha proporcionado información sobre una variedad de entornos físicos, sobre todo en la superconductividad, la superfluidez y, más recientemente, en el famoso ejemplo de las cuasipartículas de Dirac en el grafeno. Pero hasta ahora, la observación y el uso de cuasipartículas se ha limitado a Física cuántica: En la materia condensada clásica, la tasa de colisión suele ser demasiado alta para permitir excitaciones similares a partículas de larga duración.

Sin embargo, la opinión estándar de que las cuasipartículas están confinadas a la materia cuántica ha sido cuestionada recientemente por un grupo de investigadores del Centro de Materiales Vivos y Blandos (CSLM) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), Corea del Sur. Examinaron un sistema clásico hecho de micropartículas impulsadas por un flujo viscoso en un canal microfluídico delgado. Cuando las partículas son atraídas por el flujo, alteran la reología a su alrededor, ejerciendo así fuerzas hidrodinámicas entre sí.

Sorprendentemente, los investigadores encontraron que estas fuerzas de largo alcance hacen que las partículas se alineen en pares. Esto se debe a que una interacción hidrodinámica viola la tercera ley de Newton, que establece que las fuerzas entre dos partículas deben ser iguales en magnitud y opuestas en dirección. En cambio, las fuerzas son «anti-Newtonianas» porque son iguales y en la misma dirección, estabilizando así el par.

La gran cantidad de partículas emparejadas insinuó que estas son las excitaciones primarias de larga duración en el sistema: sus cuasipartículas. Se demostró que esta hipótesis era correcta cuando los investigadores simularon un gran cristal bidimensional hecho de miles de partículas y examinaron su movimiento. Las fuerzas hidrodinámicas entre las moléculas hacen que el cristal vibre, como fonones térmicos en un sólido vibrante.

Las cuasipartículas de pares se difunden a través del cristal, catalizando la formación de otros pares a través de una reacción en cadena. Las cuasipartículas viajan más rápido que la velocidad de los fonones, por lo que cada par deja atrás una avalancha de pares recién formados, muy parecido a un cono de Mach generado detrás de un chorro supersónico. Finalmente, todos estos pares chocan entre sí, lo que finalmente hace que el cristal se derrita.

La fusión producida por pares se observa en todas las simetrías cristalinas excepto en un caso particular: el cristal hexagonal. Aquí, la simetría 3D de la interacción hidrodinámica coincide con la simetría del cristal y, como resultado, las excitaciones iniciales son fonones de baja frecuencia muy lentos (no pares como de costumbre). En el espectro, se ve una «banda plana» donde se condensan estos fonones ultralentos. La interacción entre fonones de banda plana es altamente colectiva y coherente, lo que se ve en la clase de transición de fusión más pronunciada y diferente.

En particular, al analizar el espectro de fonones, los investigadores identificaron las estructuras cónicas típicas de las cuasipartículas de Dirac, al igual que la estructura que se encuentra en el espectro electrónico del grafeno. En el caso de un cristal hidrodinámico, las cuasipartículas de Dirac son simplemente pares de partículas, que se forman gracias a la interacción «anti-Newtoniana» mediada por el flujo. Esto demuestra que el sistema puede servir como una contraparte clásica de las partículas detectadas en el grafeno.

explica Tsvi Tusty, uno de los autores correspondientes del artículo.

Además, las cuasipartículas y las bandas planas son de particular interés en la física de la materia condensada. Por ejemplo, recientemente se han observado bandas planas en capas dobles retorcidas de grafeno en un «ángulo mágico» específico, y sucede que el sistema hidrodinámico estudiado en IBS CSLM exhibe una banda plana similar en un cristal 2D mucho más simple.

En conjunto, estos resultados indican que otros fenómenos colectivos emergentes medidos hasta ahora solo en sistemas cuánticos pueden detectarse en una variedad de configuraciones clásicamente disipativas, como energía y energía. materia vivadice Hyuk Kyu Pak, uno de los autores correspondientes del artículo.