Ilmuwan pertama kali mengamati “quasipartikel” dalam sistem klasik

Dimulai dengan munculnya mekanika kuantum, dunia fisika terbagi antara fisika klasik dan fisika kuantum. Fisika klasik berurusan dengan gerakan benda-benda yang biasa kita lihat setiap hari di dunia makroskopis, sedangkan fisika kuantum menjelaskan perilaku aneh partikel elementer di dunia mikroskopis.

Banyak padatan atau cairan tersusun dari partikel-partikel yang berinteraksi satu sama lain dalam jarak dekat, kadang-kadang mengakibatkan munculnya “partikel semu”. Kuasipartikel adalah eksitasi berumur panjang yang berperilaku efektif sebagai partikel yang berinteraksi lemah. Fisikawan Soviet Lev Landau memperkenalkan gagasan kuasipartikel pada tahun 1941, dan sejak itu sangat bermanfaat dalam penelitian materi kuantum. Beberapa contoh kuasipartikel termasuk kuasipartikel Bogolyubov (yaitu, “pasangan Cooper yang rusak”) dalam superkonduktivitas, rangsangan dalam semikonduktor, dan fonon.

Meneliti fenomena kolektif yang muncul dalam hal quasipartikel telah memberikan wawasan ke dalam berbagai pengaturan fisik, terutama superkonduktivitas, superfluiditas, dan baru-baru ini dalam contoh terkenal quasipartikel Dirac di graphene. Namun sejauh ini, pengamatan dan penggunaan kuasipartikel masih terbatas Fisika kuantum: Dalam materi terkondensasi klasik, laju tumbukan biasanya terlalu tinggi untuk memungkinkan eksitasi seperti partikel berumur panjang.

Namun, pandangan standar bahwa kuasipartikel terbatas pada materi kuantum baru-baru ini ditentang oleh sekelompok peneliti di Pusat Bahan Lunak dan Hidup (CSLM) di dalam Institut Sains Dasar (IBS), Korea Selatan. Mereka memeriksa sistem klasik yang terbuat dari mikropartikel yang digerakkan oleh aliran kental dalam saluran mikofluida. Ketika partikel ditarik oleh aliran, mereka mengganggu fluiditas di sekitar mereka, sehingga mengerahkan gaya hidrodinamik satu sama lain.

Hebatnya, para peneliti menemukan bahwa gaya jarak jauh ini menyebabkan partikel berpasangan. Ini karena interaksi hidrodinamik melanggar hukum ketiga Newton, yang menyatakan bahwa gaya antara dua partikel harus sama besarnya dan berlawanan arah. Sebaliknya, gaya-gaya itu “anti-Newtonian” karena sama dan searah, sehingga menstabilkan pasangan.

Sejumlah besar partikel yang berpasangan mengisyaratkan bahwa ini adalah eksitasi primer berumur panjang dalam sistem—kuasipartikelnya. Hipotesis ini terbukti benar ketika para peneliti mensimulasikan kristal dua dimensi besar yang terbuat dari ribuan partikel dan mengamati gerakannya. Gaya hidrodinamik antar molekul membuat kristal bergetar, seperti fonon termal dalam benda padat yang bergetar.

Pasangan kuasipartikel berdifusi melalui kristal, mengkatalisis pembentukan pasangan lain melalui reaksi berantai. Partikel kuasi bergerak lebih cepat daripada kecepatan fonon, sehingga setiap pasangan meninggalkan longsoran pasangan yang baru terbentuk, seperti kerucut Mach yang dihasilkan di belakang jet supersonik. Akhirnya, semua pasangan ini saling bertabrakan, yang akhirnya menyebabkan kristal meleleh.

Fusi yang dihasilkan oleh pasangan diamati pada semua simetri kristal kecuali untuk satu kasus tertentu: kristal heksagonal. Di sini, simetri 3D dari interaksi hidrodinamik cocok dengan simetri kristal, dan akibatnya, eksitasi awal adalah fonon frekuensi rendah yang sangat lambat (tidak berpasangan seperti biasanya). Dalam spektrum, seseorang melihat “pita datar” di mana fonon ultraslow ini memadat. Interaksi antara fonon pita datar sangat kolektif dan koheren, yang terlihat pada kelas transisi fusi yang paling menonjol dan berbeda.

Secara khusus, ketika menganalisis spektrum fonon, para peneliti mengidentifikasi struktur kerucut tipikal quasipartikel Dirac, seperti struktur yang ditemukan dalam spektrum elektronik graphene. Dalam kasus kristal hidrodinamik, kuasipartikel Dirac hanyalah pasangan partikel, yang terbentuk berkat interaksi “anti-Newtonian” yang dimediasi aliran. Ini menunjukkan bahwa sistem dapat berfungsi sebagai pasangan klasik untuk partikel yang terdeteksi dalam graphene.

jelas Tsvi Tusty, salah satu penulis makalah yang sesuai.

Selain itu, kuasipartikel dan pita datar sangat menarik dalam fisika benda terkondensasi. Misalnya, pita datar baru-baru ini diamati pada lapisan ganda graphene yang terpuntir pada ‘sudut ajaib’ tertentu, dan kebetulan sistem hidrodinamik yang dipelajari di IBS CSLM menunjukkan pita datar serupa dalam kristal 2D yang jauh lebih sederhana.

Secara keseluruhan, hasil ini menunjukkan bahwa fenomena kolektif lain yang muncul yang diukur sejauh ini hanya dalam sistem kuantum dapat dideteksi dalam berbagai pengaturan disipatif klasik, seperti energik dan materi hidupkata Hyuk Kyu-bak, salah satu penulis surat kabar yang sesuai.