科学家首次在经典系统中观察到“准粒子”

诸平

Fig. 1 Flat bands and monkey saddles in hexagonal crystals. Credit: Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01893-5

Fig. 2 Left: Experimental measurement of colloidal particles driven in a thin microfluidic channel. The particles form stable, hydrodynamically coupled pairs moving at the same velocity (arrows). These pairs are the fundamental quasiparticles of the system. Right: Simulation of a hydrodynamic crystal, showing a quasiparticle pair (leftmost yellow and orange particles) propagating in a hydrodynamic crystal, leaving behind a supersonic Mach cone of excited quasiparticles. Colors denote the magnitude of the pair excitation, and the white background denotes their velocity. Credit: Institute for Basic Science

Fig. 3 The spectrum of phonons in a hydrodynamic crystal exhibits Dirac cones, manifesting the generation of quasiparticle pairs. The zoom shows one of the Dirac double cones. Credit: Institute for Basic Science

据韩国基础科学研究院( Institute for Basic Science)2023年1月26日报道，该院科学家首次在经典系统中观察到“准粒子”（Scientists observe 'quasiparticles' in classical systems for the first time）。

从量子力学的出现开始，物理学界被分为经典物理学(classical physics)和量子物理学(quantum physics)。经典物理学研究的是我们在宏观世界中每天都能看到的物体的运动，而量子物理学则解释了微观世界中基本粒子的奇异行为。

许多固体或液体是由近距离相互作用的粒子组成的，这有时会导致“准粒子(quasiparticles)”的出现。准粒子是一种长寿命的激发态，其行为有效地表现为弱相互作用的粒子。准粒子的概念是由苏联物理学家列夫·兰道(Lev Landau)在1941年提出的，从那时起，准粒子在量子物质研究中一直非常富有成果。准粒子的一些例子包括波戈留玻夫准粒子(Bogoliubov quasiparticles),即在超导性中的“破碎库珀对”（ "broken Cooper pairs"）、半导体中的激子（excitons）以及声子（phonons）。

从准粒子的角度考察涌现集体现象，提供了对各种物理环境的深入了解，最显著的是超导性（superconductivity）和超流动性（superfluidity），以及最近在石墨烯中狄拉克准粒子（Dirac quasiparticles）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（quantum physics）:在经典凝聚态中，碰撞率通常太高，不允许长寿命的类粒子激发。

然而，准粒子专属于量子物质的标准观点最近受到了韩国基础科学研究所(Institute for Basic Science简称IBS)软物质和生命物质中心(Center for Soft and Living Matter简称CSLM)的一组研究人员的挑战。他们在一个薄的微流通道中测试了一个由粘性流动驱动的微粒组成的经典系统。当微粒被气流拖曳时，它们会扰动周围的流线，从而对彼此施加水动力。

值得注意的是，研究人员发现，这些远程力使微粒成对地组织起来。这是因为流体力学的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大小相等，方向相反。相反，这些力是“反牛顿的（anti-Newtonian）”，因为它们相等且方向相同，这使得微粒对稳定。相关研究结果于2023年1月26日已经在《自然·物理》（Nature Physics）杂志网站发表——Imran Saeed, Hyuk Kyu Pak, Tsvi Tlusty. Quasiparticles, flat bands and the melting of hydrodynamic matter. Nature Physics, Published: 26 January 2023. DOI: 10.1038/s41567-022-01893-5. https://www.nature.com/articles/s41567-022-01893-5 

图2（Fig. 2）左图:在薄微流控通道中驱动胶体颗粒的实验测量。粒子形成稳定的流体动力学耦合对，以相同的速度运动(箭头所示)。这些耦合对是系统的基本准粒子。右图:流体动力学晶体的模拟，显示了准粒子对(最左边的黄色和橙色粒子)在流体动力学晶体中传播，留下了激发态准粒子的超音速马赫锥。颜色表示准粒子对激发的大小，白色背景表示它们的速度。

大量成对耦合的粒子表明，这些是系统中寿命较长的基本激发，即准粒子。当研究人员模拟一个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。粒子之间的水动力使晶体振动，就像振动固体中的热声子一样。

这些准粒子对通过晶体传播，通过链式反应刺激其他准粒子对的产生。准粒子的速度比声子快，因此每一对准粒子都会留下大量新形成的准粒子对，就像超音速喷气式飞机后面产生的马赫锥一样。最后，所有这些准粒子对相互碰撞，最终导致晶体融化。

图3（Fig. 3）显示声子在水动力晶体中的谱呈狄拉克锥状（Dirac cones），表现为准粒子对的产生。放大显示的是其中一个狄拉克双锥（Dirac double cones）。

在所有晶体对称中都可以观察到由粒子对引起的熔化，除了一个特殊的情况:六方晶体(hexagonal crystal)。在这里，水动力相互作用的三重对称与晶体对称相匹配，因此，基本激发是极其缓慢的低频声子(而不是通常的粒子对)。在光谱中，人们可以看到一个“平坦带（flat band）”，这些超慢声子在此凝结。平坦带声子（flat-band phonons）之间的相互作用是高度集体和相关的，这表现在更尖锐的，不同类型的熔化转变。

值得注意的是，在分析声子的光谱时，研究人员发现了狄拉克准粒子的典型锥形结构，就像在石墨烯的电子光谱中发现的结构一样。在水动力晶体（hydrodynamic crystal）的情况下，狄拉克准粒子只是粒子对，它是由流动介导的“反牛顿”相互作用形成的。这表明该系统可以作为石墨烯中发现的粒子的经典模拟物。

该论文的通讯作者之一Tsvi Tlusty解释说:“这项工作首次证明了基本的量子物质概念，特别是准粒子和平坦带，可以帮助我们理解经典耗散系统（classical dissipative systems）的多体物理。”

此外，准粒子和平坦带在凝聚态物理学中具有特殊的意义。例如，最近在被特定的“魔角”扭曲的双层石墨烯中观察到平坦带，而IBS CSLM研究的水动力系统恰好在一个更简单的2D晶体中表现出类似的平坦带。

该论文的通讯作者之一Hyuk Kyu Pak说:“总的来说，这些发现表明，迄今为止只在量子系统中测量到的其他涌现集体现象（emergent collective phenomena）可能在各种经典耗散环境中被揭示，比如活跃和有生命的物质。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The concept of quasiparticles—long-lived low-energy particle-like excitations—has become a cornerstone of condensed quantum matter, where it explains a variety of emergent many-body phenomena such as superfluidity and superconductivity. Here we use quasiparticles to explain the collective behaviour of a classical system of hydrodynamically interacting particles in two dimensions. In the disordered phase of this matter, measurements reveal a subpopulation of long-lived particle pairs. Modelling and simulation of the ordered crystalline phase identify the pairs as quasiparticles, emerging at the Dirac cones of the spectrum. The quasiparticles stimulate supersonic pairing avalanches, bringing about the melting of the crystal. In hexagonal crystals, where the intrinsic three-fold symmetry of the hydrodynamic interaction matches that of the crystal, the spectrum forms a flat band dense with ultra-slow, low-frequency phonons whose collective interactions induce a much sharper melting transition. Altogether, these findings demonstrate the usefulness of concepts from quantum matter theory in understanding many-body physics in classical dissipative settings.