Scienziati osservano per la prima volta le "quasiparticelle" nei sistemi classici

May 13, 2023

A partire dall’emergere della meccanica quantistica, il mondo della fisica è stato diviso tra fisica classica e fisica quantistica. La fisica classica si occupa del movimento degli oggetti che vediamo ogni giorno nel mondo macroscopico, mentre la fisica quantistica spiega i comportamenti esotici delle particelle elementari nel mondo microscopico.

Molti solidi o liquidi sono composti da particelle che interagiscono tra loro a distanze ravvicinate, il che a volte si traduce nella formazione di "quasiparticelle". Le quasiparticelle sono eccitazioni di lunga durata che si comportano efficacemente come particelle che interagiscono debolmente. L’idea delle quasiparticelle fu introdotta dal fisico sovietico Lev Landau nel 1941 e da allora è stata molto fruttuosa nella ricerca sulla materia quantistica. Alcuni esempi di quasiparticelle includono le quasiparticelle di Bogoliubov (cioè coppie di Cooper rotte) nella superconduttività, gli eccitoni nei semiconduttori e i fononi.

L’esame dei fenomeni collettivi emergenti in termini di quasiparticelle ha fornito informazioni su un’ampia varietà di contesti fisici, in particolare nella superconduttività e nella superfluidità, e recentemente nel famoso esempio delle quasiparticelle di Dirac nel grafene. Ma finora, l’osservazione e l’uso delle quasiparticelle sono stati limitati alla fisica quantistica: nella materia condensata classica, il tasso di collisione è tipicamente troppo alto per consentire eccitazioni di lunga durata simili a particelle.

Tuttavia, la visione standard secondo cui le quasiparticelle sono esclusive della materia quantisticaè stato recentemente contestato da un gruppo di ricercatori del Center for Soft and Living Matter (CSLM) dell’Institute for Basic Science (IBS), Corea del Sud. Hanno esaminato un sistema classico fatto di microparticelle guidate da un flusso viscoso in un sottile canale microfluidico. Quando le particelle vengono trascinate dal flusso, perturbano le linee di flusso attorno a loro, esercitando così forze idrodinamiche l'una sull'altra. Questa svolta è stata guidata congiuntamente dal leader del gruppo Tsvi Tlusty (Dipartimento di Fisica, UNIST) e dal professore Hyuk Kyu Pak (Dipartimento di Fisica, UNIST) del CSLM.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che queste forze a lungo raggio fanno sì che le particelle si organizzino in coppie. Questo perché l'interazione idrodinamica infrange la terza legge di Newton, la quale afferma che le forze tra due particelle devono essere uguali in grandezza e opposte in direzione. Le forze sono invece “antinewtoniane” perché sono uguali e nella stessa direzione, stabilizzando così la coppia.

La grande popolazione di particelle accoppiate a coppie suggerisce che queste sono le eccitazioni elementari di lunga durata nel sistema: le sue quasiparticelle. Questa ipotesi si è rivelata corretta quando i ricercatori hanno simulato un grande cristallo bidimensionale composto da migliaia di particelle e ne hanno esaminato il movimento. Le forze idrodinamiche tra le particelle fanno vibrare il cristallo, proprio come i fononi termici in un corpo solido vibrante.

Queste quasiparticelle di coppia si propagano attraverso il cristallo, stimolando la creazione di altre coppie attraverso una reazione a catena. Le quasiparticelle viaggiano più velocemente della velocità dei fononi, e quindi ogni coppia lascia dietro di sé una valanga di coppie appena formate, proprio come il cono di Mach generato dietro un aereo supersonico. Alla fine, tutte queste coppie entrano in collisione tra loro, portando infine alla fusione del cristallo.

La fusione indotta dalle coppie si osserva in tutte le simmetrie cristalline tranne un caso particolare: il cristallo esagonale. Qui, la triplice simmetria dell'interazione idrodinamica corrisponde alla simmetria cristallina e, di conseguenza, le eccitazioni elementari sono fononi a bassa frequenza estremamente lenti (e non coppie come al solito). Nello spettro si vede una "banda piatta" dove si condensano questi fononi ultra lenti. L'interazione tra i fononi a banda piatta è altamente collettiva e correlata, il che si manifesta nella classe molto più netta e diversa di transizione di fusione.

In particolare, analizzando lo spettro dei fononi, i ricercatori hanno identificato strutture coniche tipiche delle quasiparticelle di Dirac, proprio come la struttura trovata nello spettro elettronico del grafene. Nel caso del cristallo idrodinamico, le quasiparticelle di Dirac sono semplicemente coppie di particelle, che si formano grazie all'interazione anti-newtoniana mediata dal flusso. Ciò dimostra che il sistema può fungere da analogo classico delle particelle scoperte nel grafene.