Квазичастицы — физика и даже магия. Что, если все сделано из фальшивых частиц?

Для многих, в том числе и для физиков, это не «настоящие» элементарные частицы, а частицеподобные сущности. Их называют квазичастицами. Их мир стремительно растет и становится все более экзотичным.

Квазичастицы они возникают в результате сложных взаимодействий огромного количества других частиц (1). Физики описывают их как твердые тела, жидкости или плазму, подверженные экстремальным температурам и давлениям. Результирующая система этих квазичастиц может быть достаточно стабильной и иметь четко определенные свойства, такие как масса и заряд.

Поларони, Например, квазичастицы, образующиеся в результате локальной деформации кристаллической решетки вызванное электростатическим взаимодействием в результате движения заряженной частицы (электрона или дырки) в кристалле, открытое Leva Landaua в 1933 г. они описываются линейными электрон-фононными взаимодействиями, причем последние сами являются квазичастицами, квантами энергии колебаний решетки с бозонными свойствами.

Ученые могут описать квазичастицы, которые у них есть точно определенный дробный заряд электрона или спина. Однако то, как формируются эти экзотические свойства, из которых состоят квазичастицы, до сих пор полностью не изучено. «Для нас это похоже на волшебство», — говорит эксперт по предмету Санкар Дас Сарма, специалист по физике конденсированных сред из Мэрилендского университета.

Используя немного собственной интуиции, догадок и немного компьютерного моделирования, физики конденсированное вещество они медленно выясняют, какие квазичастицы теоретически возможны, а какие являются всего лишь фикцией. В то же время в исследовательских лабораториях, где физики подвергают новые материалы все более новым экстремальным условиям, зоопарк квазичастиц быстро растет и становится все более экзотичным.

Недавние открытия говорят, среди прочего о питоны, стационарные фрактоны и искаженные морщины. Существуют ли они «на самом деле»? Это не простой вопрос, и он может быть неправильно поставлен. Физики уверены, что существует набор свойств, способствующих их образованию.

Дыры и квантовые компьютеры

Возможно, не каждый инженер-электронщик задавался этим вопросом, но один из самые ранние обнаруженные квазичастицы она была ему хорошо известна»дыра«Это просто отсутствие электрона там, где он должен быть. В 40-х годах физики обнаружили, что дырки движутся внутри твердых тел точно так же, как положительно заряженные частицы. Еще более странными, также известными в течение некоторого времени как гипотеза и потенциально очень полезными, являются Майорановские квазичастицыкоторым свойственно своеобразное раздвоение личности — они наполовину электроны и наполовину дырки одновременно.

Вт 2010 г. Сарма и его соратники утверждали, что Майорановские квазичастицы можно использовать для. Когда мы двигаем вокруг себя электрон и дырку, они сохраняют информацию в виде переплетающегося узора. Различные положения частиц и квазичастиц соответствуют единицам, нулям и суперпозициям «1» и «0», которые вместе дают биты (кубиты) квантового вычисления.

Попытки построить эффективные квантовые компьютеры до сих пор они терпели неудачу, потому что квантовые суперпозиции большинства типов частиц распадаются, когда они становятся слишком горячими или когда они сталкиваются с другими частицами. Это не тот случай Майорановские квазичастицы. Их экстраординарный состав заставляет их иметь нулевую энергию и нулевой заряд, что теоретически позволяет им существовать внутри какого-то сверхпроводника, материала, который проводит электричество без сопротивления. В этом гипотетическом материале не может существовать никаких других частиц, что создает «щель», не позволяющую майорановской квазичастице распасться. Сверхпроводящий разлом, как объясняет Дас Сарма, защищает Майорану. По крайней мере, это теория.

С 2010 года экспериментаторы стремились построить настоящие частицы майорановской кислотыс использованием сложных систем сверхпроводников, нанопроводов и магнитных полей. В 2018 году одна группа исследователей сообщила в журнале Nature, что они наблюдали важные сигнатуры майорановских квазичастиц. Однако внешние эксперты поставили под сомнение некоторые аспекты их анализа данных. Потом эта работа была отозвана.

Черные дыры в квасомолекулярном зоопарке

Растущий зоопарк квазичастиц, с рядом необычных символов, предлагает физикам инструментарий, с помощью которого они могут строить модели других систем, которые трудно или невозможно получить, таких как черные дыры.

Черные дыры образуются в космосе везде, где гравитация становится настолько сильной, что даже свет не может вырваться. Вы можете создать простой аналог черной дыры, вытащив пробку из ванны и наблюдая, как вода стекает в канализацию.

Водяные волны, которые подходят слишком близко к приливу, неизбежно затягиваются в водоворот. Можно сделать еще лучший аналог — с квазичастицами, называемыми поляритонами.

2. Первое в истории изображение экситона квазичастицы, образованного в результате корреляции электрона и дырки, возникающей в результате кулоновского взаимодействия между ними

Поляритоны — это смесь материи и света. Ученые используют два зеркала, чтобы поймать фотон внутри клетки, которая также содержит экситон, представляющий собой своего рода квазичастицу, состоящую из электрона и дырки, вращающихся вокруг друг друга (2). экситон она отличается от майорановской квазичастицы, которая является наполовину электроном и наполовину дыркой в ​​том же месте и в то же время. примерно миллион раз, прежде чем он ускользнет, ​​и когда он отскочит обратно, фотон соединится с экситоном, чтобы сформировать поляритон. Многие фотоны и экситоны заключены в клетку и связаны таким образом, и эти поляритоны ведут себя массивно, как жидкий свет, который не имеет трения и не рассеивается. Ученые разработали поток этих поляритонов, чтобы имитировать его.

Жидкий свет он нестабилен, и в конце концов фотон ускользает. Именно эта дырявая клетка позволяет ученым изучать эволюцию черных дыр с течением времени. физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Роджер Пенроуз предположил, что вращающиеся черные дыры могут терять энергию и постепенно замедляться. Планируется проверить эту идею на поляритонах (3).

3. Изображения создания поляритонных эквивалентов черных дыр

Вечно живой?

Если есть квазичастица он может развалиться, он развалится в конце концов. Например, магнон, квазичастица, состоящая из фрагментов магнитного поля, движущегося через материал, может распадаться на две другие магнония пока энергия этих продуктов не превышает энергию исходного магнона.

Командное исследование Рубена Верресена, специалист по физике конденсированных сред из Гарвардского университета, поставил с ног на голову достаточно устойчивую картину квазичастиц. В статье, опубликованной в 2019 году, он и его коллеги описали, как они теоретически моделировали распадающиеся квазичастицы, а затем постепенно увеличивали силу взаимодействия между ними, чтобы увидеть, что происходит. Первоначально, как и ожидалось, квазичастицы распадались быстрее. Но затем, к удивлению Верресена, когда сила взаимодействия стала очень большой, квазичастицы вернулись. «Внезапно у нас снова появляется квазичастица, которая кажется бесконечно долгоживущей», — прокомментировал Верресен в отчете об исследовании.

Затем команда провела компьютерное моделирование разведки. поведение ультрахолодного магнита и наблюдал появление магнонов, которые не распались. Он показал, что их новые открытия высоко взаимодействующих квазичастиц могут объяснить некоторые загадочные особенности, наблюдавшиеся в экспериментах с магнонами в 2017 году. Эти вечные магноны встречаются не только в чистой теории, но и в окружающей нас природе. Таким образом, результаты показывают, что квазичастицы могут быть гораздо более надежными, чем считали исследователи. Граница между частицей и квазичастицей становится размытой. «Я не вижу принципиальной разницы, — отмечает Верресен.

Квазичастицы возникают из систем многих частиц. Однако то, что мы называем фундаментальными частицами, такими как кварки, фотоны и электроны, может быть не таким элементарным, как мы думаем. Некоторые физики подозревают, что эти кажущиеся фундаментальными частицы возникают во многом подобно квазичастицам, хотя точно неизвестно из чего. Однако предполагается, что это нечто более основное. Согласно с Леона Баленца, теоретик, изучающий квантовые состояния материи в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, объекты, которые мы считаем фундаментальными частицами, вероятно, опять же не такие фундаментальные — они больше похожи на квазичастицы, но в какой-то другой теории физики.