前沿科技！科学家首次在经典系统中观察到“准粒子”

　　从量子力学的出现开始，物理学世界就分为经典物理学和量子物理学。经典物理学处理我们通常每天在宏观世界中看到的物体的运动，而量子物理学则解释了微观世界中基本粒子的奇异行为。

　　许多固体或液体由近距离相互作用的粒子组成，这有时会导致“准粒子”的上升。准粒子是长寿命的激发，其表现为弱相互作用粒子。准粒子的概念是由苏联物理学家列夫·朗道（Lev Landau）于1941年提出的，此后在量子物质研究中取得了丰硕的成果。准粒子的一些例子包括超导中的Bogoliubov准粒子（即“破碎的库珀对”），半导体中的激子和声子。

　　从准粒子的角度研究涌现的集体现象提供了对各种物理环境的洞察力，最显着的是超导性和超流动性，以及最近石墨烯中狄拉克准粒子的著名例子。但到目前为止，准粒子的观察和使用仅限于量子物理学：在经典凝聚态物质中，碰撞率通常太高，无法进行长寿命的粒子状激发。

　　然而，准粒子是量子物质独有的标准观点最近受到韩国基础科学研究所（IBS）软与生命物质中心（CSLM）的一组研究人员的挑战。他们检查了一个由薄微流体通道中的粘性流动驱动的微粒制成的经典系统。当粒子被气流拖曳时，它们会扰动周围的流线，从而相互施加流体动力。

　　值得注意的是，研究人员发现，这些长程力使粒子成对组织。这是因为流体动力学相互作用打破了牛顿第三定律，该定律指出两个粒子之间的力必须在大小上相等，在方向上相反。相反，这些力是“反牛顿的”，因为它们相等且方向相同，从而稳定了这对力。

　　成对耦合的大量粒子暗示了这些是系统中长寿命的基本激发 - 它的准粒子。当研究人员模拟由数千个粒子组成的大型二维晶体并检查其运动时，这一假设被证明是正确的。粒子之间的流体动力使晶体振动，就像振动固体中的热声子一样。

　　这些准粒子对在晶体中传播，通过链式反应刺激其他对的产生。准粒子的行进速度比声子的速度快，因此每一对粒子都会留下大量新形成的粒子对，就像超音速喷气式飞机后面产生的马赫锥体一样。最后，所有这些对相互碰撞，最终导致晶体熔化。

　　在所有晶体对称性中都观察到成对诱导的熔化，除了一种特殊情况：六边形晶体。在这里，流体动力学相互作用的三重对称性与晶体对称性相匹配，因此，基本激发是极其缓慢的低频声子（而不是像往常那样成对）。在光谱中，人们看到一个“平坦带”，这些超慢声子凝结在那里。平带声子之间的相互作用是高度集体和相关的，这在更尖锐、不同类别的熔化转变中表现出来。

　　值得注意的是，在分析声子的光谱时，研究人员确定了狄拉克准粒子的典型圆锥形结构，就像石墨烯电子光谱中的结构一样。在流体动力学晶体的情况下，狄拉克准粒子只是粒子对，由于流动介导的“反牛顿”相互作用而形成。这表明该系统可以作为石墨烯中发现的粒子的经典类似物。

　　“这项工作首次证明基本的量子物质概念 - 特别是准粒子和平带 - 可以帮助我们理解经典耗散系统的多体物理学，”该论文的通讯作者之一Tsvi Tlusty解释说。

　　此外，准粒子和平带在凝聚态物理学中特别令人感兴趣。例如，最近在由特定“魔角”扭曲的双层石墨烯中观察到扁平带，而在IBS CSLM研究的流体动力学系统恰好在更简单的2D晶体中表现出类似的扁平带。

　　“总而言之，这些发现表明，迄今为止仅在量子系统中测量的其他新兴集体现象可能在各种经典耗散环境中揭示，例如活性物质和生命物质，”该论文的通讯作者之一Hyuk Kyu Pak说。