Гидродинамическая решетка растаяла из-за квазичастиц

Ученые впервые применили концепт квазичастиц для исследования полностью классической системы

Физики из Южной Кореи обнаружили долгоживущие квазичастицы в классической двумерной решетке гидродинамически взаимодействующих частиц. Такие квазичастицы, двигаясь со скоростью выше скорости звука в веществе, индуцируют лавинный рост собственного числа и, как следствие, таяние решетки. В частном случае гексагональной решетки ученые обнаружили в спектре плоскую зону, аналогичную той, что в магическом графене лежит в основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта зона порождает ультрамедленные низкочастотные фононы, которые способствуют более резкому по сравнению с другими решетками таянию структуры, пишут ученые в Nature Physics.

Квазичастицы — это долгоживущие коллективные возмущения в среде, которые ведут себя как настоящие слабовзаимодействующие частицы. Так, к примеру, фононы — кванты звуковых колебаний атомов в кристаллической решетке — могут распространяться и взаимодействовать между собой, рождаться и уничтожаться. Подобные квазичастицы — возмущения среды — существуют не только в твердом теле, но и в сверхтекучем гелии (ротоны) и газе свободных электронов (плазмоны). Более того, в кристаллах существуют квазичастицы, которые помимо возмущений среды включают в себя обычные частицы (экситоны, квазичастицы Боголюбова). Рассмотрение квазичастиц упрощает теоретическое описание и привносит дополнительное понимание физических явлений.

Однако вышеописанные квазичастицы возникают лишь на малых масштабах благодаря квантовым эффектам, которые способствуют длительному взаимодействию между частицами. В классических системах, таких как разреженный газ, взаимодействие между частицами недостаточно сильное для образования стабильных квазичастиц.

Несмотря на это, группа ученых под руководством Цви Тлусти (Tsvi Tlusty) из Ульсанского национального института науки и технологии в Южной Корее обнаружила стабильные квазичастицы в системе классических частиц в жидкости. Для этого ученые поместили микрочастицы полистирола между двумя пластинами так, чтобы они могли эффективно двигаться только в двух измерениях. Затем через получившийся канал физики направили равномерный поток воды, заставив частицы плыть по течению.

Физики выяснили, что в результате движения частицы возмущают вблизи себя потоки жидкости, что в двумерии приводит к дипольному взаимодействию с соседями. Важная особенность этого взаимодействия заключается в том, что силы, с которыми частицы действуют друг на друга, равны и сонаправлены (другими словами, сила взаимодействия симметрична относительно замены частиц). Это идет вразрез с третьим законом Ньютона, по которому силы должны быть противоположно направленны. Причина тому — диссипативная природа гидродинамического взаимодействия, из-за которой не сохраняется импульс системы частиц. В результате симметрии взаимодействия образуются стабильные пары частиц, которые в системе отсчета, движущейся со средней скоростью частиц, плывут с высокой скоростью в одном направлении. Примечательно, что дальность взаимодействия между парами частиц не велика, из-за чего его можно считать слабым.

Возникновение пар частиц в неупорядоченной фазе навело физиков на мысль, что они могут быть квазичастицами. Чтобы проверить гипотезу, ученые аналитически изучили спектр кристаллической гидродинамической решетки. Выяснилось, что в окрестности равновесия в системе могут без затухания распространяться фононы с положительными и отрицательными частотами. Чтобы исследовать особенности их спектра, ученые рассмотрели случаи квадратной и гексагональной решеток.

В случае квадратной решетки спектр содержал конусы Дирака, в которых встречаются положительные и отрицательные частоты фононных колебаний, а также сингулярности Ван Хова, в которых плотности состояний расходятся логарифмически. Обе особенности — типичные признаки наличия в системе квазичастиц: а именно пар частиц, описанных выше. Численное моделирование квадратной решетки с одной квазичастицей показало возникновение конуса Маха, в вершине которого была исходная квазичастица. Ученые объяснили это тем, что квазичастица, двигаясь со скоростью в 1,4 раза выше скорости звука в решетке, создавала вокруг себя фононы — кванты звуковых колебаний, которые и сформировали конус. В результате распространения и взаимодействия квазичастиц и фононов, число квазичастиц лавинно возрастало, а решетка теряла свою структуру, или, проще говоря, таяла.

Однако более интересным было рассмотрение гексагональной решетки. Дело в том, что симметрия такой решетки совпадает с симметрией гидродинамического взаимодействия между частицами, а это может привести к принципиально иному поведению системы. Это подтвердили теоретические вычисления, из которых следовало наличие в спектре особых сингулярностей Ван Хова — обезьяньих седел. Такие сингулярности примечательны тем, что с ними связано возникновение плоской зоны спектра, в которой плотность состояния расходится уже степенным образом, а фононы существенно замедляются и вызывают более резкое таяние. Численное моделирование подтвердило теоретические выкладки: решетка с одной квазичастицей в начальный момент времени долгое время оставалась практически неизменной: квазичастица лишь ходила вокруг начальной точки и возбуждала в кристалле ультрамедленные фононы, пока в один момент число квазичастиц не умножилось и не привело к стремительному таянию структуры.

Ученые отмечают, что плоские зоны спектра приводят к возникновению сильных корреляций между частицами, и предположительно лежат в основе высокотемпературной сверхпроводимости в двухслойном графене, повернутом на магический угол.

Также на сходство с графеном указывает наличие в спектре решетки дираковских конусов. Однако следует понимать, что в случае гидродинамической решетки конусы в спектре возникают из-за симметрии взаимодействия частиц, а в графене — из-за симметрии кристаллической решетки, ввиду чего спектры систем хоть и похожи, но отличаются.

Проделанная работа, по словам ученых, доказывает, что концепты квантовой механики, такие как квазичастицы, сингулярности Ван Хова и плоские зоны могут пролить свет на процессы многих тел в классических диссипативных системах, таких как мягкая управляемая или активная материя, плазма и даже экологические модели.

Ученые не в первый раз находят аналоги квантовых явлений в классических системах. Например, два года назад физики из трех стран воссоздали гидродинамический аналог одномерных и двумерных спиновых решеток, в которых наглядно можно было наблюдать влияние корпускулярно-волнового дуализма на эволюцию системы. А за год до этого ученые из США доказали, что классические временные кристаллы можно не только получить экспериментально, но и то, что они могут возникать в природе естественным путем. Больше о связи квантовой и классической физики читайте в нашем материале «Власть частичного».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Падение снежинок оказалось не зависящим от числа Рейнольдса

Физики измерили скорость и ускорение полумиллиона падающих снежинок