I fisici osservano per la prima volta le “quasiparticelle” nei sistemi classici

Molti solidi e liquidi sono costituiti da particelle che interagiscono tra loro a distanza ravvicinata, portando alla creazione di "quasiparticelle". Le quasiparticelle sono eccitazioni stabili che agiscono come particelle debolmente interagenti

Dall’avvento della meccanica quantistica, il campo della fisica è stato diviso in due aree distinte: fisica classica e fisica quantistica. La fisica classica si occupa dei movimenti degli oggetti quotidiani nel mondo macroscopico, mentre la fisica quantistica spiega gli strani comportamenti delle minuscole particelle elementari nel mondo microscopico.

Le quasiparticelle

Molti solidi e liquidi sono costituiti da particelle che interagiscono tra loro a distanza ravvicinata, portando alla creazione di “quasiparticelle”. Le quasiparticelle sono eccitazioni stabili che agiscono come particelle debolmente interagenti. Il concetto di quasiparticelle fu introdotto nel 1941 dal fisico sovietico Lev Landau e da allora è diventato uno strumento cruciale nello studio della materia quantistica. Alcuni esempi ben noti di quasiparticelle includono le quasiparticelle di Bogoliubov 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 impostazioni fisiche, 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 simili a particelle di lunga durata.

Figura 1. A sinistra: misurazione sperimentale di particelle colloidali guidate in un sottile canale microfluidico. Le particelle formano coppie stabili, accoppiate idrodinamicamente, che si muovono alla stessa velocità (frecce). Queste coppie sono le quasiparticelle fondamentali del sistema. A destra: simulazione di un cristallo idrodinamico, che mostra una coppia di quasiparticelle (particelle gialle e arancioni più a sinistra) che si propagano in un cristallo idrodinamico, lasciando dietro di sé un cono di Mach supersonico di quasiparticelle eccitate. I colori denotano l'entità dell'eccitazione della coppia e lo sfondo bianco denota la loro velocità (vedi il video del film sotto).
Figura 1. A sinistra: misurazione sperimentale di particelle colloidali guidate in un sottile canale microfluidico. Le particelle formano coppie stabili, accoppiate idrodinamicamente, che si muovono alla stessa velocità (frecce). Queste coppie sono le quasiparticelle fondamentali del sistema. A destra: simulazione di un cristallo idrodinamico, che mostra una coppia di quasiparticelle (particelle gialle e arancioni più a sinistra) che si propagano in un cristallo idrodinamico, lasciando dietro di sé un cono di Mach supersonico di quasiparticelle eccitate. I colori denotano l’entità dell’eccitazione della coppia e lo sfondo bianco denota la loro velocità (vedi il video del film sotto).

Tuttavia, la visione standard secondo cui le quasiparticelle sono esclusive della materia quantistica è stata recentemente contestata da un gruppo di ricercatori del Center for Soft and Living Matter (CSLM) all’interno 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 corrente attorno a loro, esercitando così forze idrodinamiche l’una sull’altra.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che queste forze a lungo raggio fanno organizzare le particelle in coppie (Figura 1 a sinistra). Questo perché l’interazione idrodinamica infrange la terza legge di Newton, che afferma che le forze tra due particelle devono essere uguali in grandezza e opposte in direzione. Invece le forze sono ‘anti-Newtoniane’ perché sono uguali e nella stessa direzione, stabilizzando così la coppia.

La grande popolazione di particelle suddivise a coppie ha suggerito che queste sono le eccitazioni elementari di lunga durata nel sistema: le sue quasiparticelle. Questa ipotesi si è dimostrata corretta quando i ricercatori hanno simulato un grande cristallo bidimensionale composto da migliaia di particelle e ne hanno esaminato il movimento (Figura 1 a destra). 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 jet supersonico (Figura 1 a destra). Alla fine, tutte quelle coppie si scontrano tra loro, portando infine allo scioglimento del cristallo.

La fusione indotta dalle coppie si osserva in tutte le simmetrie cristalline ad eccezione di 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 questi fononi ultra lenti si condensano. L’interazione tra i fononi a banda piatta è altamente collettiva e correlata, il che si manifesta nella classe molto più nitida e diversa di transizione di fusione.

Figura 2 - Lo spettro dei fononi in un cristallo idrodinamico presenta coni di Dirac, che manifestano la generazione di coppie di quasiparticelle. Lo zoom mostra uno dei doppi coni di Dirac. Credito: Istituto per la scienza di base
Figura 2 – Lo spettro dei fononi in un cristallo idrodinamico presenta coni di Dirac, che manifestano la generazione di coppie di quasiparticelle. Lo zoom mostra uno dei doppi coni di Dirac. Credito: Istituto per la scienza di base

In particolare, analizzando lo spettro dei fononi, i ricercatori hanno identificato strutture coniche tipiche delle quasiparticelle di Dirac, proprio come la struttura che si trova nello spettro elettronico del grafene (Figura 2). Nel caso del cristallo idrodinamico, le quasiparticelle di Dirac sono semplicemente coppie di particelle, che si formano grazie all’interazione ‘antinewtoniana’ mediata dal flusso. Ciò dimostra che il sistema può fungere da analogo classico delle particelle scoperte nel grafene.

“Il lavoro è una dimostrazione unica nel suo genere che i concetti fondamentali della materia quantistica – in particolare le quasiparticelle e le bande piatte – possono aiutarci a comprendere la fisica a molti corpi dei sistemi dissipativi classici”, ha spiegato Tsvi Tlusty, uno degli autori corrispondenti.

Inoltre, le quasiparticelle e le bande piatte sono di particolare interesse nella fisica della materia condensata. Ad esempio, bande piatte sono state recentemente osservate in doppi strati di grafene attorcigliati da uno specifico “angolo magico”, e il sistema idrodinamico studiato presso l’IBS CSLM mostra un’analoga banda piatta in un cristallo 2D molto più semplice.

“Complessivamente, questi risultati suggeriscono che altri fenomeni collettivi emergenti che sono stati finora misurati solo nei sistemi quantistici possono essere rivelati in una varietà di contesti dissipativi classici, come la materia attiva e vivente“, ha affermato Hyuk Kyu Pak.

Fonte: Nature Physics

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