고전 시스템에서 '준 입자'를 관찰합니다 고전 준입자의 첫 번째 예, 양자와 고전 소산 시스템 사이의 깊은 연결을 밝힙니다. 

[아름이]

고전 시스템에서 '준 입자'를 관찰합니다
고전 준입자의 첫 번째 예, 양자와 고전 소산 시스템 사이의 깊은 연결을 밝힙니다.
날짜:
2023년 1월 26일
원천:
기초과학연구원
요약:
수명이 긴 입자와 같은 여기인 준입자는 양자 물리학의 초석이며, 초전도성의 Cooper 쌍과 최근에는 그래핀의 Dirac 준입자와 같은 유명한 예가 있습니다. 이제 연구원들은 실온의 고전적 시스템에서 준입자를 발견했습니다. 미세유체 채널에서 점성 흐름에 의해 구동되는 입자의 2차원 결정입니다. 유체역학적 힘에 의해 결합된 입자는 안정적인 쌍을 형성합니다. 이는 양자 및 고전 소산 시스템 사이의 깊은 연결을 드러내는 고전적인 준입자의 첫 번째 예입니다.

양자역학의 등장을 시작으로 물리학의 세계는 고전물리학과 양자물리학으로 양분되었다. 고전물리학은 거시세계에서 우리가 일상적으로 볼 수 있는 물체의 움직임을 다루는 반면, 양자물리학은 미시세계에서 소립자의 특이한 행동을 설명합니다.

많은 고체 또는 액체는 가까운 거리에서 서로 상호 작용하는 입자로 구성되어 있으며 때때로 "준 입자"가 상승합니다. 준입자는 약하게 상호 작용하는 입자로 효과적으로 작용하는 오래 지속되는 여기입니다. 준입자 개념은 1941년 소련의 물리학자 레브 란다우(Lev Landau)에 의해 소개되었으며 그 이후로 양자 물질 연구에서 큰 성과를 거두었습니다. 준입자의 몇 가지 예에는 초전도성의 Bogoliubov 준입자(즉, "깨진 쿠퍼 쌍"), 반도체의 엑시톤 및 포논이 포함됩니다.

준입자 측면에서 발생하는 집단 현상을 조사하면 다양한 물리적 설정, 특히 초전도성 및 초유체에 대한 통찰력을 얻을 수 있으며 최근에는 그래핀의 Dirac 준입자의 유명한 예를 볼 수 있습니다. 그러나 지금까지 준입자의 관찰과 사용은 양자 물리학으로 제한되었습니다. 고전적인 응집 물질에서 충돌 속도는 일반적으로 입자와 같은 오래 지속되는 여기를 허용하기에는 너무 높습니다.

그러나 최근 한국 기초과학연구원(IBS) 산하 연성생물체연구단(CSLM) 연구팀은 준입자가 양자물질에만 국한된다는 일반적인 견해에 도전장을 던졌다. 그들은 얇은 미세 유체 채널에서 점성 흐름에 의해 구동되는 미세 입자로 구성된 고전적인 시스템을 조사했습니다. 입자가 흐름에 끌리면 주변의 유선이 교란되어 서로 유체 역학적 힘을 발휘합니다.

놀랍게도 연구원들은 이러한 장거리 힘이 입자를 쌍으로 조직하게 만든다는 것을 발견했습니다. 이는 유체역학적 상호작용이 두 입자 사이의 힘은 크기가 같고 방향이 반대 여야 한다는 뉴턴의 제3법칙을 위반하기 때문 입니다. 대신 힘이 같고 방향 이 같기 때문에 '반 뉴턴' 힘이 되어 쌍을 안정화합니다.

쌍으로 결합된 많은 입자 집단은 이것이 시스템의 오래 지속되는 기본 여기(준입자)임을 암시했습니다. 이 가설은 연구원들이 수천 개의 입자로 구성된 대형 2차원 결정을 시뮬레이션하고 그 움직임을 조사했을 때 옳았다는 것이 입증되었습니다. 입자 사이의 유체 역학적 힘은 진동하는 고체의 열 포논과 마찬가지로 결정을 진동시킵니다.

이 준입자 쌍은 결정을 통해 전파되어 연쇄 반응을 통해 다른 쌍의 생성을 자극합니다. 준입자는 포논의 속도보다 빠르게 이동하므로 모든 쌍은 초음속 제트기 뒤에 생성된 마하 콘처럼 새로 형성된 쌍의 눈사태 뒤에 남습니다. 마지막으로 그 모든 쌍이 서로 충돌하여 결국 결정이 녹는 결과를 낳습니다(영화).

쌍에 의해 유도된 용융은 특정한 경우인 육방정을 제외한 모든 결정 대칭에서 관찰됩니다. 여기에서 유체역학적 상호작용의 3중 대칭은 결정 대칭과 일치하고 결과적으로 기본 여기는 매우 느린 저주파 포논(일반적인 쌍이 아님)입니다. 스펙트럼에서 이러한 초저속 포논이 응축되는 "플랫 밴드"를 볼 수 있습니다. 플랫 밴드 포논 사이의 상호 작용은 매우 집단적이고 상호 연관되어 훨씬 더 선명하고 다른 종류의 용융 전이에서 나타납니다.

특히 포논의 스펙트럼을 분석할 때 연구원들은 그래핀의 전자 스펙트럼에서 발견되는 구조와 마찬가지로 Dirac 준입자의 전형적인 원추형 구조를 확인했습니다. 유체역학적 결정의 경우 Dirac 준입자는 단순히 입자 쌍이며 흐름에 의해 매개되는 '반뉴턴' 상호작용 덕분에 형성됩니다. 이것은 시스템이 그래핀에서 발견된 입자의 고전적인 아날로그 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.

"이 작업은 기본 양자 물질 개념, 특히 준입자 및 플랫 밴드가 고전 소산 시스템의 다물리 물리학을 이해하는 데 도움이 될 수 있다는 최초의 시연입니다." 논문의 저자.

더욱이 준입자와 편평한 밴드는 응집 물질 물리학에서 특별한 관심 대상입니다. 예를 들어, 플랫 밴드는 특정 "마법의 각도"로 꼬인 그래핀 이중층에서 최근에 관찰되었으며 IBS CSLM에서 연구된 유체역학 시스템은 훨씬 단순한 2D 결정에서 유사한 플랫 밴드를 나타냅니다.

교신저자 중 한 명인 박혁규는 "이번 발견은 지금까지 양자 시스템에서만 측정된 다른 창발적 집단 현상이 활성 물질과 생명체와 같은 다양한 고전적 소산 설정에서 드러날 수 있음을 시사한다"고 말했다. 종이의.

출처 : https://www.sciencedaily.com/