Primera observación de 'cuasipartículas' en sistemas clásicos

La opinión generalizada de que las cuasipartículas son exclusivas de la materia cuántica ha sido cuestionada por un equipo liderado por investigadores del UNIST, en Corea del Sur.

Muchos sólidos o líquidos están compuestos por partículas que interactúan entre sí a corta distancia, lo que a veces da lugar a la aparición de "cuasipartículas". Las cuasipartículas son excitaciones de larga duración que se comportan efectivamente como partículas que interactúan débilmente. La idea de las cuasipartículas fue introducida por el físico soviético Lev Landau en 1941, y desde entonces ha sido muy fructífera en la investigación de la materia cuántica.

Algunos ejemplos de cuasipartículas son las cuasipartículas de Bogoliubov (es decir, los "pares de Cooper rotos") en superconductividad, los excitones en semiconductores y los fonones.

El examen de los fenómenos colectivos emergentes en términos de cuasipartículas permitió comprender una gran variedad de entornos físicos, sobre todo en superconductividad y superfluidez, y recientemente en el famoso ejemplo de las cuasipartículas de Dirac en el grafeno. Pero hasta ahora, la observación y el uso de las cuasipartículas se han limitado a la física cuántica: en la materia condensada clásica la tasa de colisión suele ser demasiado alta para permitir excitaciones tipo partícula de larga duración.

En el nuevo estudio, los científicos examinaron un sistema clásico formado por micropartículas impulsadas por un flujo viscoso en un delgado canal microfluídico. Al ser arrastradas por el flujo, las partículas perturban las líneas de corriente que las rodean, ejerciendo así fuerzas hidrodinámicas unas sobre otras.

Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que estas fuerzas de largo alcance hacen que las partículas se organicen en pares. Esto se debe a que la interacción hidrodinámica rompe la tercera ley de Newton, que establece que las fuerzas entre dos partículas deben ser iguales en magnitud y opuestas en dirección. En cambio, las fuerzas son "antinewtonianas" porque son iguales y en la misma dirección, lo que estabiliza el par, informa el UNIST en un comunicado.

La gran cantidad de partículas acopladas por pares indicaba que se trataba de excitaciones elementales de larga vida en el sistema, sus cuasipartículas. Esta hipótesis se demostró acertada cuando los investigadores simularon un gran cristal bidimensional formado por miles de partículas y examinaron su movimiento. Las fuerzas hidrodinámicas entre las partículas hacen vibrar el cristal, de forma muy parecida a los fonones térmicos de un cuerpo sólido en vibración.

Estas cuasipartículas de pares se propagan por el cristal, estimulando la creación de otros pares mediante una reacción en cadena. Las cuasipartículas viajan más rápido que la velocidad de los fonones, por lo que cada par deja tras de sí una avalancha de pares recién formados, igual que el cono de Mach que se genera tras un avión supersónico. Por último, todos esos pares chocan entre sí, lo que acaba provocando la fusión del cristal.

La fusión inducida por pares se observa en todas las simetrías de cristal excepto en un caso particular: el cristal hexagonal. Aquí, la simetría triple de la interacción hidrodinámica coincide con la simetría cristalina y, como resultado, las excitaciones elementales son fonones de baja frecuencia extremadamente lentos (y no pares como es habitual). En el espectro se observa una "banda plana" donde se condensan estos fonones ultralentos. La interacción entre los fonones de la banda plana es altamente colectiva y correlacionada, lo que se manifiesta en la transición de fusión, mucho más aguda y de clase diferente.

En particular, al analizar el espectro de los fonones, los investigadores identificaron estructuras cónicas típicas de las cuasipartículas de Dirac, al igual que la estructura encontrada en el espectro electrónico del grafeno. En el caso del cristal hidrodinámico, las cuasipartículas de Dirac son simplemente pares de partículas, que se forman gracias a la interacción "antinewtoniana" mediada por el flujo. Esto demuestra que el sistema puede servir como análogo clásico de las partículas descubiertas en el grafeno.

"Este trabajo es la primera demostración de que los conceptos fundamentales de la materia cuántica, en particular las cuasipartículas y las bandas planas, pueden ayudarnos a comprender la física de muchos cuerpos de los sistemas disipativos clásicos", explica el catedrático Tsvi Tlusty, uno de los autores del artículo.

"En conjunto, estos hallazgos sugieren que otros fenómenos colectivos emergentes que hasta ahora sólo se habían medido en sistemas cuánticos podrían revelarse en diversos entornos disipativos clásicos, como la materia activa y viva", afirma Hyuk Kyu Pak, uno de los autores correspondientes del artículo.